專利名稱：聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于聚合物材料制備工藝及設備技術領域，具體涉及一種用聚對苯二甲酸乙二醇酯增強聚烯烴的改性方法及裝置。
背景技術：
聚烯烴(主要指聚乙烯和聚丙烯)由于價格便宜，成型加工性好，因此應用量大，應用領域較廣。但是，這類材料的力學性能和耐熱性能較差，使得它們只能作為普通塑料使用，不能在對力學和耐熱性能要求較高的工程領域內應用。為了改進和提高以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴塑料的力學和耐熱性能，使之達到或接近通用工程塑料性能，科技人員進行了大量的研究，目前已公諸于眾的方法有多種，如日本開發(fā)的大環(huán)烯烴與乙烯和丙烯共聚直接制得具有高性能的APEL非晶聚烯烴；采用過氧化物，輻射以及硅烷交聯(lián)制得的交聯(lián)聚烯烴；采用各種填料(無機或有機纖維、礦物填料)填充并增強聚烯烴；采用取向結晶方法使聚烯烴自增強等。這些方法雖得到不同程度的推廣應用，但也存在這樣或那樣的問題如直接合成高性能聚烯烴的制備條件較為苛刻、共聚單體不易獲得且價格較高，若采用提高分子量的方法來提高性能，又會出現(xiàn)加工困難的問題；交聯(lián)方法除工藝不易控制外，交聯(lián)料有的加工性能差，有的成本又較高；填充增強方法獲得的聚烯烴的加工性能差，且對設備的磨損大；而自增強方法尚不能加工大型制件，且加工過程復雜。正因為上述方法存在這樣那樣的問題，人們又研究開發(fā)了一種新的聚烯烴高性能化技術，即將少量液晶聚合物與聚烯烴共混，并在共混過程中，液晶聚合物原位形成微纖，從而獲得一種原位復合材料(《Liquid Crystalline Polymer Systems》Avraam I.Isayev編著，美國化學會出版，1995)。這種技術具有如下優(yōu)點(1)可在通用塑料加工設備上進行制備；(2)少量液晶可在材料中起到良好的增強作用；(3)復合材料對設備磨損小。但是，由于液晶聚合物的品種有限，價格昂貴，不易獲得，因而阻礙了液晶聚合物/聚烯烴原位復合材料的發(fā)展和推廣應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決已有技術存在的問題，選擇來源廣泛、價格適中的熱塑性聚合物來替代液晶聚合物并制備原位微纖增強聚烯烴復合材料。
本發(fā)明的另一目的是提供與上述制備方法匹配的加工裝置。
經過本發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，價格適中，機械力學性能和耐熱性能均優(yōu)良的通用工程塑料聚對苯二甲酸乙二醇酯，能在一定條件下與聚烯烴共混時原位形成微米級別或亞微米級別的微纖，同時這些微纖在材料中起到了類似宏觀纖維的增強作用，從而使聚烯烴材料的作用，從而使聚烯烴材料的力學性能獲得了顯著提高，并篩選出以下技術方案來達到制備原為微纖增強聚烯烴復合材料的目的。
該技術方案是將聚烯烴80～95份(重量)、聚對苯二甲酸乙二醇酯5～20份(重量)按下述工藝步驟及條件進行制備(1)干燥將聚對苯二甲酸乙二醇酯在120～160℃下干燥8～24小時，控制含水率＜0.01％；(2)初混合將干燥冷卻后的聚對苯二甲酸乙二醇酯與聚烯烴按配比在常溫下攪動混合；(3)熔融混合擠出將初混合的物料置于擠出機中熔融混合并擠出，擠出溫度170～275℃，口模溫度260～280℃，擠出機螺桿轉速10～30轉/分；(4)拉伸將擠出的料條在常溫空氣下進行拉伸，拉伸比控制為1～10；(5)強制冷卻將擠出后的料條浸入水溫為0～20℃的冷卻槽中強制冷卻；(6)切粒冷卻后的料條經切粒機切粒即成。
為了增大材料的各組分的界面強度，穩(wěn)定相形態(tài)的作用，在初混合時還可以加入0～8份(重量)乙烯和丙烯酸共聚物的增容劑。該增容劑選用丙烯酸含量為7～20％(重量)。
上述技術方案中所用的聚烯烴為聚乙烯和聚丙烯，其中聚乙烯選用熔體流動指數在0.8～1.8克/10分鐘的高密度聚乙烯，聚丙烯選用熔體流動指數為1～3克/10分鐘的均聚全同立構聚丙烯上述技術方案中所用的聚對苯二甲酸乙二醇酯采用低粘級，其特性粘數為0.52～0.63。
本發(fā)明提供的與上述制備方法匹配的加工裝置主要包括擠出機和冷卻水槽。擠出機為普通擠出機，其大小根據生產量確定，但為了使經初混合的物料在熔融擠出過程中，聚對苯二甲酸乙二醇酯能在剪切和拉伸力場的作用下原位形成微纖，故要求擠出機的長徑比為20～25，其中不附加混合元件；口模入口的錐形角為45度，流道長度為10～20毫米，長徑比為5～10。冷卻水槽為常規(guī)的冷卻水槽，其長度大小只要能與循環(huán)冷卻水的流速匹配保證其冷卻水溫在0～20℃之間以使料條中形成的微纖保存下來。
本發(fā)明提供的加工裝置還可包括一個可調速的牽引機構。該機構為塑料加工行業(yè)常用的拉伸設備，安裝在擠出機和冷卻水槽之間，使擠出的料條在牽引機構給予的一定拉伸比的拉伸下，一方面使擠出過程中形成的微纖細化，繼續(xù)提高強度，另一方面還可以使料條中的聚對苯二甲酸乙二醇酯繼續(xù)生成新的微纖。
本發(fā)明制備的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料可通過注塑、擠出、壓制等塑料成型方法成型多種制品，如塑料管、電器元件、汽車零配件等，但成型加工時需滿足以下基本要求才不會降低材料的性能(1)成型加工前需對材料進行干燥，干燥的溫度為80～100℃，時間為8～18小時。若采用真空烘箱(真空度為-0.04--0.08MPa)，則干燥時間取低限，但至少需8小時；(2)成型加工的最高溫度必須控制在200℃以下，以保證在成型加工過程中，已形成的聚對苯二甲酸乙二醇酯微纖仍能以纖維形態(tài)存在于材料中不被熔化。
圖一為PET含量15份(特性粘數0.62)，PE含量85份(熔體流動指數0.9克/10分鐘)的原位微纖增強復合材料的掃描電子顯微鏡照片圖二為PET含量10份(特性粘數0.62)，PP含量90份(熔體流動指數1.5克/10分鐘)的原位微纖增強復合材料的掃描電子顯微鏡照片圖二為PET含量15份(特性粘數0.56)，PE含量85份(熔體流動指數1.6克/10分鐘)，EAA含量為8份(丙烯酸含量為10％)的原位微纖增強復合材料的掃描電子顯微鏡照片本發(fā)明具有以下優(yōu)點1.由于本發(fā)明采用的方法制備的復合材料的原料易得，價格低廉，因而使本發(fā)明制備復合材料的成本較低，且又易于推廣應用。
2.用本發(fā)明方法制備原位微纖增強復合材料工藝簡單，易于控制，對設備的要求不高，所使用的設備均為通用的塑料加工設備，投資省。
3.用本發(fā)明方法制備的原位微纖增強復合材料具有良好的加工性，可象一般熱塑性塑料一樣，通過注塑，擠出等方法成型加工，遠比傳統(tǒng)的多采用手糊、層壓等方法制備的宏觀纖維增強復合材料的生產效率高。
4.由于本發(fā)明制備的原位微纖增強復合材料的增強相為柔軟的聚對苯二甲酸乙二醇酯微纖，因而材料在再加工過程中降低對設備的摩擦，磨損，延長成型加工設備的使用壽命。
5.本發(fā)明原位微纖增強復合材料具有良好的綜合性能，較高的力學強度，耐熱性及其它的物理機械性能，可以與通用工程塑料ABS媲美(見表一)，可廣泛運用與塑料管道、家用電器、汽車摩托車、電器元件等領域。
下面給出的實例是對本發(fā)明的具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發(fā)明作進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域技術熟練人員可以根據上述發(fā)明內容對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調整。
實施例一～十八
(1)干燥首先將表二中選用的聚對苯二甲酸乙二醇酯(以下簡稱PET)在120～160℃下干燥8～24小時，使PET中的水分控制在0.01％以下。
(2)初混合將干燥冷卻后的PET與表二中選用的聚烯烴(以下簡稱PO)按配比或再加入選用的乙烯和丙烯酸共聚物的增容劑(以下簡稱EAA)在常溫下攪動混合均勻。
(3)熔融混合擠出將初混合的物料置于長徑比為20～25，口模入口為45℃，流道長度為10～20毫米，長徑比為5～10的擠出機中熔融混合并擠出。擠出溫度為170～275℃，口模溫度為260～280℃，擠出機的螺桿轉速為10～30轉/分。
(4)拉伸將擠出的料條在常溫空氣下進行拉伸，拉伸比控制為1～10。
(5)強制冷卻將經拉伸后的料條浸入水溫為0～20℃的冷卻水槽中強制冷卻。
(6)切粒冷卻后的料條經切粒機切粒即成。
為了考察本發(fā)明制備的原位微纖增強材料的物理機械性能，將所得的復合材料置于注塑機中，按常規(guī)的注塑工藝條件注塑成為GB11997-89規(guī)定的標準測試樣條進行下列性能測試拉伸性能按GB1040-79規(guī)定測試，拉伸速率為50毫米/分；沖擊強度按GB1843-89規(guī)定測試，跨距為40毫米；熱變形溫度(維卡軟化點)按GB1634-79規(guī)定測試；表一即為PET/PO原位微纖增強復合材料與純聚烯烴和通用工程塑料ABS按照上述測試方法測試的一些性能對比。
另外還采用掃描電子顯微鏡對所制備的PET/PO原位微纖增強復合材料的形態(tài)進行了觀察，照片見附圖，觀察計算結果見表三。
表一
表二
表三
權利要求
1.一種聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于將聚烯烴5～20份(重量)、聚對苯二甲酸乙二醇酯80～95份(重量)按下述工藝步驟及條件進行制備(1)干燥將聚對苯二甲酸乙二醇酯在120～160℃下干燥8～24小時，控制含水率＜0.01％；(2)初混合將干燥冷卻后的聚對苯二甲酸乙二醇酯與聚烯烴按配比在常溫下攪動混合；(3)熔融混合擠出將初混合的物料置于擠出機中熔融混合并擠出，擠出溫度170～275℃，口模溫度260～280℃，擠出機螺桿轉速10～30轉/分；(4)拉伸將擠出的料條在常溫空氣下進行拉伸，拉伸比控制為1～10；(5)強制冷卻將經拉伸后的料條浸入水溫為0～20℃的冷卻槽中強制冷卻；(6)切粒冷卻后的料條經切粒機切粒即成。
2.根據權利要求，所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于在初混合時還可加入0～8份(重量)乙烯和丙烯酸共聚物的增容劑。
3.根據權利要求2所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于所用的乙烯和丙烯酸共聚物增容劑中的丙烯酸含量7～20％(重量)。
4.根據權利要求，或2或3所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于所用的聚烯烴為聚乙烯、聚丙烯。
5.根據權利要求4所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二傳至原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于聚乙烯選用熔體流動指數在0.8～1.8克/10分鐘的高密度聚乙烯。
6.根據權利要求4所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于聚丙烯選用熔體流動指數為1～3克/10分鐘的均聚全同立構聚丙烯。
7.根據權利要就1或2或3或4或5或6所述的聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法，其特征在于所用的聚對苯二甲酸乙二醇酯的特性粘數為0.52～0.63。
8.一種制備聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的裝置，包括擠出機、冷卻水槽，其特征在于擠出機的長徑比為20～25，口模入口的錐形角為45度，流道長度為10～20毫米，長徑比為5～10。
9.根據權利要求8所述的制備聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的裝置，其特征在于還包括一個可調速的牽引機構。
全文摘要
本發(fā)明公開了聚烯烴/聚對苯二甲酸乙二醇酯原位微纖增強復合材料的制備方法及裝置,該方法是將聚對苯二甲酸乙二醇酯經干燥與聚烯烴按一定配比初混后,在選定工藝條件下經符合設備設計參數的擠出機熔融擠出,牽引機構拉伸,冷卻水槽冷卻,切粒等工序進行制備。本發(fā)明方法所用原料易得,價格低廉,工藝簡單,易于控制,且對設備的要求不高,且所獲材料的成本低,加工性好,生產效率高,對再加工設備磨損小,并具有良好的可與通用工程塑料ABS媲美的物理機械性能。
文檔編號B29B9/12GK1346845SQ0112889
公開日2002年5月1日 申請日期2001年9月25日 優(yōu)先權日2001年9月25日
發(fā)明者李忠明, 楊鳴波, 馮建民 申請人:四川大學