高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聚丙烯技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚丙烯是質(zhì)量較輕的通用塑料，具有以下優(yōu)點：力學(xué)性能優(yōu)異、電絕緣性和加工性 能好、化學(xué)穩(wěn)定性高、熱變形溫度高；強(qiáng)度、剛性和透明性都比聚乙烯好，而且生產(chǎn)成本較 低，因而廣泛應(yīng)用于家電、包裝、化工及汽車等領(lǐng)域，產(chǎn)量居于通用塑料的第三位，僅次于聚 乙烯和聚氯乙烯。聚丙烯的缺點是韌性、模量一般，其低溫沖擊性能差、易老化，而且抗靜電 性、耐候性和染色性差。因此材料界和產(chǎn)業(yè)界都很關(guān)注聚丙烯的改性。剛性和韌性是考查聚 丙烯性能的兩個重要指標(biāo)，同時，這兩個性能也是一對矛盾體，如何能夠使聚丙烯同時具有 良好的剛性和韌性，滿足特殊領(lǐng)域的領(lǐng)域是人們一直以來追求的目標(biāo)。常見的解決方案是 加入納米、微米粒子進(jìn)行剛性及強(qiáng)度的改性，然而納米粒子的添加使得聚丙烯的韌性變差。 基于此，如何在降低成本、滿足剛性的情況下，提升其韌性及模量是聚丙烯領(lǐng)域急需解決的 問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有聚丙烯難以同時滿足高韌性和高模量要 求，提供一種高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法，利用多種聚合物、彈性體作為協(xié) 同增韌聚合物，使得本發(fā)明的聚丙烯復(fù)合材料的各項性能得以改善。
[0004] 本發(fā)明為解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料，由 聚丙烯基體、高密度聚乙烯、聚烯烴彈性體、改性硅灰石、納米改性粒子、改性氮化硼、相容 劑、抗氧化劑和潤滑劑組成，各組分的重量份數(shù)依次為：聚丙烯基體50~62. 5份、高密度聚 乙烯10~12份、聚烯烴彈性體12~15份、改性硅灰石6~9份、納米改性粒子0. 5~2份、改性氮 化硼1~2份、相容劑5~6份、抗氧化劑1~1. 5份和潤滑劑2~2. 5份，所述的納米改性粒子由 重量比為1 :100的娃燒偶聯(lián)劑和納米二氧化鈦混合而成。
[0005] 所述的改性硅灰石由重量比為1. 5 :100的硅烷偶聯(lián)劑和粒徑為1250目的硅灰石 混合而成；改性氮化硼由重量比為2 :100的硅烷偶聯(lián)劑和單層狀氮化硼混合而成，氮化硼 的平均粒徑為5微米，純度多99% ;納米二氧化鈦的粒徑為10~20nm，純度多99%。
[0006] 本發(fā)明所采用的相容劑、抗氧化劑和潤滑劑均為市售的公知物質(zhì)，本發(fā)明采用的 相容劑為馬來酸酐接枝聚丙烯；抗氧化劑為亞磷酸酯類抗氧劑；潤滑劑為二甲基硅油。
[0007] 本發(fā)明在聚丙烯基體中添加納米改性粒子即納米改性二氧化鈦，納米二氧化鈦和 聚丙烯基體之間具有良好的親和性和物理相互作用，添加少量納米二氧化鈦即可導(dǎo)致聚丙 烯球晶顆粒細(xì)小而均勻，球晶尺寸較小，形成的晶核較多，提高了聚丙烯的拉伸性能和彈性 模量。本發(fā)明所采用的氮化硼為類似石墨烯結(jié)構(gòu)的單層狀氮化硼，層與層之間以弱的范德 華力結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)平面內(nèi)是以平價鍵結(jié)合，具有良好的電絕緣性、導(dǎo)熱性、高硬度和化學(xué) 穩(wěn)定性，通過硅烷偶聯(lián)劑的改性，改性氮化硼和納米改性二氧化鈦協(xié)同效應(yīng)增加，兩種粒子 均勻地分散在聚丙烯基體中，提高基體的模量和強(qiáng)度，對斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度的提高效 果也較為顯著。
[0008] 高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：步驟一、將硅烷偶聯(lián)劑 和納米二氧化鈦按1 :100的重量比進(jìn)行混合，制得納米改性粒子，備用； 步驟二、將硅烷偶聯(lián)劑和氮化硼按2 :100的重量比進(jìn)行混合，制得改性氮化硼，備用； 步驟三、將硅烷偶聯(lián)劑和硅灰石按1. 5 :100的重量比進(jìn)行混合，制得改性硅灰石，備 用； 步驟四、按重量份數(shù)，分別取50~62. 5份聚丙烯基體、10~12份高密度聚乙烯、12~15份 聚烯烴彈性體、5~6份相容劑、1~1. 5份抗氧化劑和2~2. 5份潤滑劑，置于混合機(jī)中混合均 勻，制得混合物，備用； 步驟五、將步驟四制得的混合物加入雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為40~50r/ min，機(jī)筒溫度為：一區(qū)170°C、二區(qū)175°C、三區(qū)180°C和四區(qū)175°C，制得混合粒子； 步驟六、將步驟五制得的混合物E加入雙輥開煉機(jī)中，雙輥開煉機(jī)前輥溫度設(shè)置為 175°C，后輥溫度設(shè)定為170°C，熔融后依次加入6~9份步驟三制得的改性硅灰石、0. 5~2份 步驟一制得的納米改性粒子和1~2份步驟二制得的改性氮化硼，保持雙輥開煉機(jī)溫度不 變，恪融共混3~6min，制得聚丙稀復(fù)合材料。
[0009] 硅灰石是一類主要成分為硅酸鈣的無機(jī)礦物，理論化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為48. 3% 的CaO、51. 7%的Si02。硅灰石具有特殊的針狀結(jié)構(gòu)，其長徑比可達(dá)至20 :1以上。由于硅灰 石價格低廉，在工業(yè)應(yīng)用中具有極高的經(jīng)濟(jì)價值和巨大的潛在市場，其最有希望的應(yīng)用領(lǐng) 域是利用自身針狀結(jié)構(gòu)的特點，代替部分玻璃纖維，從而降低增強(qiáng)塑料的成本。
[0010] 本發(fā)明的有益效果：1、本發(fā)明在聚丙烯基體中引入極性相近的高密度聚乙烯和聚 烯烴彈性體，二者具有良好的熱力學(xué)相容性，可提升復(fù)合體系的耐沖擊性和抗低溫性，優(yōu)于 單一的高密度聚乙烯或聚烯烴彈性體。其中，聚烯烴彈性體的共聚物序列分布均勻，具有很 窄的分子量分布和較低的結(jié)晶度，與聚丙烯基體的相容性好，其增韌效果顯著，其良好的流 動性可改善氮化硼、硅灰石和納米二氧化鈦的分散效果，顯著降低共混物組分間的界面張 力，提高制品的熔接痕強(qiáng)度，其較強(qiáng)的剪切敏感性和熔體強(qiáng)度，可實現(xiàn)高擠出、提高產(chǎn)量。本 發(fā)明利用了高密度聚乙烯和聚烯烴彈性體的協(xié)同增韌性，籍以提升復(fù)合材料的整體韌性。
[0011] 2、本發(fā)明中硅灰石的存在，硅灰石的粒徑細(xì)小，由于氮化硼和二氧化鈦粒子的引 入，使得硅灰石在聚丙烯基體中的分散更均勻，而每個硅灰石粒子作為一個應(yīng)力集中點，當(dāng) 復(fù)合體系受到?jīng)_擊時，可在基體中引發(fā)大量銀紋，銀紋之間的相互干涉，阻礙了銀紋進(jìn)一步 發(fā)展為宏觀開裂的可能性，能量也在這一過程中被耗散，使得復(fù)合體系的彈性模量增加。
[0012] 3、本發(fā)明中的復(fù)合物體系形成了聚合物/柔性界面層/無機(jī)粒子三相復(fù)合體系， 形成了三種不同的形態(tài)：（1)、無機(jī)粒子和柔性界面層獨立地分散在基體中，即形成分離結(jié) 構(gòu)；（2)、在基體中，無機(jī)粒子被柔性界面層所包覆，即形成包覆結(jié)構(gòu)；（3)、分離結(jié)構(gòu)和包覆 結(jié)構(gòu)共存。在該復(fù)合體系中，形成包覆結(jié)構(gòu)更有利于提高增韌效果，而具有分離結(jié)構(gòu)則表現(xiàn) 出更高的沖擊強(qiáng)度和彈性模量，復(fù)合體系中的三種形態(tài)，在增韌的基礎(chǔ)上達(dá)到了較高的彈 性模量。
[0013] 4、制備工藝簡便，所采用材料便宜，綜合成本較之于傳統(tǒng)的韌性改性聚丙烯優(yōu)勢 較為明顯，所生產(chǎn)的高韌性高強(qiáng)度高模量聚丙烯性能優(yōu)越；本發(fā)明采用多種聚合物、彈性體 作為協(xié)同增韌聚合物，使得本發(fā)明產(chǎn)品的各項性能得以改善，且本發(fā)明采用的各種原料，比 較環(huán)保，對環(huán)境污染??；同時，所采用的無機(jī)材料和納米粒子等價格低廉，降低了體系的整 體成本。
【具體實施方式】
[0014] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法作 進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例 不作為對本發(fā)明的限定。
[0015] 高韌性高模量聚丙烯復(fù)合材料，由聚丙烯基體、高密度聚乙烯、聚烯烴彈性