一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征为：各成分的重量百分比为：50‑80%的复配型聚丙烯、2‑10%的接枝物相容剂、5‑30%的玻纤短切毡、2‑10%的弹性体增韧剂，上述各成分的重量百分比之和为100%，其中复配型聚丙烯为高刚性均聚丙烯HCIPP与高熔体强度聚丙烯HMSPP复配而成。其中高刚性聚丙烯HCIPP基体有利于发泡后复合材料的力学性能保持率，而高熔体强度聚丙烯HMSPP则能保证泡孔均匀、结构完整、分布合理，加入的多单体嵌段共聚物能改善复合材料界面状况，因此，复合材料密度较微发泡前有大幅度降低，拉伸强度、弯曲强度未见明显降低，冲击强度反而有所改善，是一种具有突出优点的“轻质、高强、高性价比”的聚合物基复合材料。

权利要求

1.一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：包括以下重量百分比的原料：复配型聚丙烯          50-80%

接枝物相容剂          2-10%

玻纤短切毡            5-30%

弹性体增韧剂          2-10%

上述各成分的重量百分比之和为100%，其中复配型聚丙烯为高刚性均聚丙烯HCIPP与高熔体强度聚丙烯HMSPP按4:1 1:1的比例复配而成;~

所述的高刚性均聚丙烯HCIPP为结晶度Xc≥99.5%、拉伸强度≥40MPa的均聚丙烯材料，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为5 30 g/min;~

所述的高熔体强度聚丙烯HMSPP为通过常规的熔融反应挤出法制备的单体接枝型长直链HMSPP，熔融指数在230℃、2.16KG的条件下测试为2 g/10min，熔体强度≥0.1N;所述的接枝物相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，其GMA接枝率经化学滴定法测试为0.5 2%；

~

所述的玻纤短切毡为连续玻璃纤维合股纱短切后所得，其单丝直径为13um，短切长度为3-4.5mm；

所述的弹性体增韧剂为烯烃类弹性体POE、三元乙丙橡胶EPDM的一种或2种以上混合物，在190℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为0.5-30 g/min。

2.根据权利要求1所述的一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：（1）按所述的重量百分比称取复配型聚丙烯基体、接枝物相容剂、弹性体增韧剂及加工助剂，混合均匀，得到混合原料；

（2）将干燥后的混合原料放置于紧密啮合同向双螺杆挤出机的主喂料仓中，经喂料螺杆加入到挤出机的机筒内，将玻纤短切毡从侧喂料口加入到挤出机中，挤出机螺杆直径为

35mm，长径比L/D为40，主机筒从加料口到机头出口的各分区温度设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，主机转速为250转/分钟，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理工序后得到产品。

3.根据权利要求2所述的一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，各成分的重量百分比如下：复配型聚丙烯          50-80%

接枝物相容剂          2-10%

玻纤短切毡            5-30%

弹性体增韧剂          2-10%

上述各成分的重量百分比之和为100%，其中复配型聚丙烯为高刚性均聚丙烯HCIPP与高熔体强度聚丙烯HMSPP复配而成。

4.根据权利要求2所述的一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的高刚性均聚丙烯HCIPP为结晶度Xc≥99.5%、拉伸强度≥40MPa的均聚丙烯材料，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为5 30 g/min；所述的高熔体强度~聚丙烯HMSPP为通过反应挤出法制备的单体接枝型长直链HMSPP，熔融指数在230℃、2.16KG的条件下测试为2 g/10min，熔体强度≥0.1N。

说明书

一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高分子的技术领域，具体地说是一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 聚丙烯是当前用量最大的通用塑料品种之一。与同类型材料的聚乙烯相比，聚丙烯在具备低密度(0.9g/cm3)的同时，其力学性能、耐热性均明显优于聚乙烯，体现出极为优异的“质轻、高性能、低成本”的应用特征，因而得以在汽车、电器、建材等工业领域得以大量使用。

[0003] 在当前汽车行业“以塑代钢”的轻量化趋势日益高涨的前提下，聚丙烯及其复合材料成为轻量化复合材料的理想选择之一，而模塑发泡便成为聚丙烯材料超轻量化应用的有效途径，然而，无论是化学发泡还是物理发泡，材料内部微孔的形成不可避免会降低聚丙烯的力学性能指标尤其是刚性，因此，必须加入增强体如玻璃纤维，以保证发泡后制件满足相应的性能规范，具备应用价值。但当前的已有研究大多关注于聚丙烯发泡后减重情况，而对其发泡后的力学性能研究较少。CN103275397所记述的改性微孔发泡聚丙烯材料，通过发泡剂的选择，针对性优化材料内部的泡孔结构及分布情况；CN102532720则采用竹粉辅助发泡剂的方式，获得了泡孔细小、均匀致密、质轻的微发泡聚丙烯材料。而对于汽车行业来说，所用的零部件均需要具备相应的性能指标，以保证其安全性、可靠性，因此，片面关注聚丙烯的发泡、减重效果显然是不够的，而应该在密度降低、性能提升这一看似矛盾的关系之间找到合适的平衡点。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种改进的高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料，它可克服现有技术中密度降低、性能下降的一些不足。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料，其特征在于：包括以下重量百分比的原料：

[0006]

[0007] 上述各成分的重量百分比之和为100％，其中复配型聚丙烯为高刚性均聚丙烯HCIPP与高熔体强度聚丙烯HMSPP按4:1～1:1的比例复配而成。

[0008] 更进一步的，所述的高刚性均聚丙烯HCIPP为结晶度Xc≥99.5％、拉伸强度≥40MPa的均聚丙烯材料，在230℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为5～30g/min。

[0009] 更进一步的，所述的高熔体强度聚丙烯HMSPP为通过常规的熔融反应挤出法制备的单体接枝型长直链HMSPP，熔融指数在230℃、2.16KG的条件下测试为2g/10min，熔体强度≥0.1N。

[0010] 更进一步的，所述的接枝物相容剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，其接枝率经化学滴定法测试为0.5～2％。

[0011] 更进一步的，所述的短玻纤短切毡为连续玻璃纤维合股纱短切后所得，其单丝直径为13um，短切长度为3-4.5mm。

[0012] 更进一步的，所述的弹性体增韧剂为烯烃类弹性体POE、三元乙丙橡胶EPDM的一种或2种以上混合物，在190℃、2.16Kg的测试条件下，其熔融指数为0.5-30g/min。

[0013] 一种高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

[0014] (1)按所述的重量百分比称取复配型聚丙烯基体、接枝物相容剂、弹性体增韧剂及加工助剂，混合均匀，得到混合原料；

[0015] (2)将干燥后的混合原料放置于紧密啮合同向双螺杆挤出机的主喂料仓中，经喂料螺杆加入到挤出机的机筒内，将玻纤短切毡从侧喂料口加入到挤出机中，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机筒从加料口到机头出口的各分区温度设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，主机转速为250转/分钟，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0016] 使用时，本发明通过加入复配型聚丙烯基体，其中高刚性聚丙烯HCIPP基体有利于发泡后复合材料的力学性能保持率，而高熔体强度聚丙烯HMSPP则能保证泡孔均匀、结构完整、分布合理，加入的多单体嵌段共聚物能改善复合材料界面状况，因此，各组分在合理搭配使用后，不仅能获得满意的发泡效果，复合材料密度较微发泡前有大幅度降低，而且主要的刚性指标如拉伸强度、弯曲强度未见明显降低，常温及低温下的冲击强度反而有所改善，是一种具有突出优点的“轻质、高强、高性价比”的聚合物基复合材料，可用于汽车已有塑料件的减重、降本的研发进程。

具体实施方式

[0017] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

[0018] 本发明实施例所用原料：

[0019] PP-1:高刚性均聚丙烯HCIPP，结晶度Xc≥99.5％，荷兰利安德巴塞尔公司，熔融指数20g/min(230℃、2.16Kg)。

[0020] PP-2:高熔体强度共聚丙烯，熔体强度≥0.15N，韩国湖南石化公司，熔融指数2g/min(230℃、2.16Kg)。

[0021] 接枝物相容剂：甲基丙烯酸缩水甘油酯GMA接枝聚丙烯相容剂，化学滴定法测试接枝率为0.8.0％，自制，通过双螺杆挤出机，由过氧化物引发剂引发GMA/苯乙烯St混合物接枝熔融态聚丙烯而得。

[0022] 短玻纤短切毡：连续玻璃纤维合股纱短切毡，直径13um，短切长度4.5mm，泰山玻纤。

[0023] 弹性体增韧剂-1：三元乙丙橡胶EPDM，美国杜邦公司，熔融指数1.7(190℃、2.16Kg)。

[0024] 弹性体增韧剂-2：聚烯烃弹性体POE，美国杜邦公司，熔融指数5.0(190℃、2.16Kg)。产品性能测试：

[0025] 拉伸性能：按ISO527-2标准进行，测试速率为5mm/min。

[0026] 弯曲性能：按ISO178标准进行，跨距为64mm，测试速率为2mm/min。

[0027] 常温及低温冲击性能：按ISO179-1标准在简支梁冲击试验机上进行，样条为标准V型缺口，测试环境温度分别为23℃、-30℃。

[0028] 发泡试验：以超临界氮气N2流体为发泡剂，在Trexel 350/550TON在线注塑系统中进行，发泡率控制为20％，各注塑段温度分别为210℃、220℃、230℃、230℃，模具温度保持在50℃，低压注塑成型工艺，注塑为标准力学性能测试样条，分别测试器密度、拉伸、弯曲、冲击等性能指标。

[0029] 本发明的技术方案制备得到的高性能增强聚丙烯复合材料，通过针对性选择不同特性的聚丙烯复配，为发泡以后复合材料性能保持、质量减重提供了良好的数值基体，使用的多元嵌段共聚物弹性体，能加强基体尤其是高熔体强度聚丙烯HMSPP与玻纤增强体之间的界面状况，这是复合材料具备优异的可发泡性能的关键因素。另外，玻纤短切毡及专用的螺杆组合，提升了复合材料中玻纤残余长度的保持率，不仅有利于泡孔结构的支撑及分布，对复合材料的整体性能尤其是刚性指标有积极的促进作用。力学性能测试数据表明，通过本技术方案得到的增强聚丙烯复合材料，在发泡后复合材料的拉伸、弯曲强度均保持在较高的水准，且冲击性能有明显的改善，其性质比远高于较常规的玻纤增强聚丙烯复合材料，这对其在汽车功能性部件、填充装饰件的应用推广提供良好的材料基础。

[0030] 实施例1

[0031] 按表1中所示的实施例1数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0032] 表1高性能微发泡专用的玻纤增强聚丙烯复合材料的配方表(单位：克)

[0033]

[0034] 实施例2

[0035] 按表1中所示的实施例2数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0036] 实施例3

[0037] 按表3中所示的实施例3数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0038] 实施例4

[0039] 按表1中所示的实施例4数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0040] 实施例5

[0041] 按表1中所示的实施例5数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0042] 实施例6

[0043] 按表1中所示的实施例6数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0044] 对比例1

[0045] 按表1中所示的对比例1数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0046] 对比例1

[0047] 按表1中所示的对比例2数据称取各组分，将玻纤短切毡以外的各组分与高速混合机中混合均匀，投入到双螺杆挤出机的主喂料仓中，玻纤短切毡投入到侧喂料仓，挤出机螺杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机转速设定为250转/分钟，主机筒的各分区温度(从加料口到机头出口)设定为：60℃、160℃、190℃、195℃、200℃、210℃、210℃，经熔融挤出、冷却、造粒、烘干处理等工序后得到产品。

[0048] 表2高抗冲耐低温的玻纤增强聚丙烯复合材料的性能及结构测试结果

[0049]

[0050] 根据表2所示的各实施例、对比例的性能测试结果，以及结合表1中的不同物性配方来看，要获得密度低、性能保持率好的发泡增强聚丙烯材料，需要不同结构、特性的聚合物及功能助剂按特定的比例进行有效的复配。即使发泡后复合材料的强度指标较未发泡前有一定程度的降低，比如拉伸强度、弯曲强度，但配方合理的增强聚丙烯复合材料在发泡后依然具有80％以上的强度保持率。与对比例1、2复合材料的测试结果相比，加入高熔体HMSPP的各实施例明显具有更好的发泡效果，不仅密度极低(0.7～0.8g/cm3)，且强度保持率高，以实施例3为例，20％体积发泡后，材料密度从之前的1.02g/cm3降低至0.75g/cm3，拉伸强度保持率在75％以上，弯曲强度保持率在80％以上，尤其值得一提的是，发泡后的复合材料具有更好的抗冲击表现，低温(-30℃)冲击强度提升至发泡前的125％，表明该实施例的发泡聚丙烯复合材料内部具有合理、均匀的微孔结构，有利于对外界冲击能量的耗散及微裂纹的终止，从而增强复合材料的抗冲击性能。另外，对比各实施例中POE、EPDM的表现可知，EPDM具有更好的增韧及发泡表现，这是因为EPDM多单体多支链的化学结构特征，能与支链化的HMSPP形成更好的链缠绕作用，对复合材料的发泡及性能改善起到一定的促进作用。通过本技术方案得到的微发泡专用玻纤增强聚丙烯复合材料具有低密度、高强度、高抗冲、发泡效果好等性能特性，尤其是发泡后低温抗冲性能也得到一定程度的提升，特别适用于汽车中一些辅助性承力结构件如保险杠支架、仪表板支架、中央通道支架、收音机及空调出风口框架等内外饰制件，在保证安全性、驾乘舒适度的同时实现汽车及零部件的轻量化、环保化。

[0051] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。