一種雙組分改性玻纖填充聚丙烯復合材料的制備方法與流程

本發(fā)明屬于高性能工程塑料技術領域，更具體地，涉及一種雙組分改性玻纖填充聚丙烯復合材料的制備方法。

背景技術：

現(xiàn)代社會快速發(fā)展的科技和增長迅速的人口，對生活和生產中使用的材料提出了更高的要求，傳統(tǒng)的的木材、石材、金屬等材料，在當今社會已不能完全滿足生產和生活的需要。木材的大量使用會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，供應量和性能也難以滿足現(xiàn)代要求；傳統(tǒng)的金屬材料有著易腐蝕，密度大，疲勞效應等不足。自上世紀人類首次制備得酚醛樹脂以來，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，高分子材料已經(jīng)廣泛應用于日常生活和工業(yè)生產的諸多領域，甚至已經(jīng)在部分場合中取代了傳統(tǒng)的金屬材料。

聚丙烯(PP)是一種通用塑料，具有低密度，耐腐蝕，化學穩(wěn)定性好，加工性能優(yōu)越等優(yōu)點，且原料豐富，產量巨大，性價比高，可重復利用，因此得到了廣泛的應用。盡管PP具有優(yōu)良的綜合性能，但是其沖擊性能及吸濕性較差，成型收縮率大，易發(fā)生熔體破裂，低溫性能不足，力學強度相對于工程塑料尚有不足。為了彌補聚丙烯材料的這些不足，使其能應用到更多器件中，已有很多關于聚丙烯改性的研究。一般在聚丙烯基體中加入填料以增強其力學性能，制成多種改性聚丙烯復合材料，以滿足各種應用的需求。常見的填料包括玻璃纖維(GF)，植物纖維/粉，炭黑，碳納米管等。其中玻璃纖維增強聚丙烯復合材料具有能與工程塑料相媲美的力學性能，而且生產成本低廉，因此得到了廣泛的應用，尤其在汽車、建筑行業(yè)應用較多。除了加入填料之外，還可以采用拉伸取向的方法提高材料的強度，對制品進行單軸或雙軸拉伸取向，使大分子分子鏈定向排列，可明顯提高材料的拉伸強度。同時，經(jīng)過拉伸后的制品中的填料分散情況也能得到明顯改善。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種雙組分改性玻纖填充聚丙烯復合材料的制備方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種雙組分改性玻纖填充聚丙烯復合材料的制備方法，包括如下步驟：

S1.將玻璃纖維加入到含有硅烷偶聯(lián)劑的乙醇水溶液中浸泡，得到改性玻纖；

S2.將S1中改性玻纖加入引發(fā)劑、單體進行接枝反應一定時間，然后過濾，洗滌，干燥后得到表面接枝聚合物的超短玻纖；

S3.將S2中超短玻纖、S1中改性玻纖、抗氧化劑和聚丙烯共混制成母料；

S4.將S3中母料擠出成型，牽伸后得到雙組份改性玻纖填充聚丙烯復合材料；

步驟S2中，引發(fā)劑、單體和改性玻纖的混合質量比為(0.001～0.1)：(0.05～0.2)：1；

步驟S3中，超短玻纖、S1中改性玻纖、抗氧化劑和聚丙烯的混合質量比為(1～30)：(1～30)：(1～5)：100。

本發(fā)明將兩種不同表面改性以及不同長徑比的玻纖材料同時填充于聚丙烯中，經(jīng)共混和后牽伸取向后得到雙組份改性玻纖填充聚丙烯復合材料。其中，方法步驟S2中為表面接枝聚合物的超短玻纖，采用接枝法(例如球磨接枝法)將聚合單體接枝到步驟S1中預先進行硅烷偶聯(lián)劑改性的玻纖表面得到，其添加目的是對聚丙烯材料起到增韌作用；而步驟S1中的改性玻纖僅為進行硅烷偶聯(lián)劑改性的玻纖，保留原玻纖較高的長徑比，可對聚丙烯材料起到增強作用。本發(fā)明旨在改善玻纖與聚合物界面相互作用的前提下，同時兼顧不同長徑比玻纖對聚丙烯復合材料的改性特點，通過后牽伸取向手段，得到具有高強度同時具有良好韌性的玻纖聚丙烯復合材料。

本發(fā)明步驟S2中，利用改性玻纖加入引發(fā)劑、單體進行接枝反應，此時玻纖長徑比大幅減小。反應一定時間后，過濾，洗滌，去除溶劑、未反應的聚合單體等雜質，干燥后，得到表面接枝聚合物的超短玻纖。

優(yōu)選地，步驟S3中，超短玻纖與S1中改性玻纖的混合比為1：(1～3)。步驟S3中，超短玻纖和S1中改性玻纖的混合量占母料的10％。在該比例下，能夠得到最佳的具有高強度和良好韌性的聚丙烯復合材料。

優(yōu)選地，步驟S3中共混溫度為190～220℃，密煉機轉子轉速為60～80rpm，共混時間為6～15min。

優(yōu)選地，步驟S4中擠出成型的溫度為200～220℃，擠出轉速為40～80rpm。

優(yōu)選地，步驟S1中，乙醇水溶液中乙醇的濃度為50～95％。

優(yōu)選地，步驟S1中，硅烷偶聯(lián)劑的質量濃度為0.5～2％。

優(yōu)選地，步驟S1中，玻璃纖維與含有硅烷偶聯(lián)劑的乙醇水溶液的混合比為1：(1～5)。其中玻璃纖維的量按g計，乙醇水溶液的量按ml計。

優(yōu)選地，步驟S1中，所述硅烷偶聯(lián)劑為異丁基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三氯硅烷、3-巰丙基三乙氧基硅烷、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的一種或多種。

優(yōu)選地，步驟S3中，聚丙烯包括等規(guī)聚丙烯、間規(guī)聚丙烯或無規(guī)聚丙烯。

優(yōu)選地，步驟S1中采用的玻璃纖維的長徑比>100。

優(yōu)選地，步驟S2中引發(fā)劑為偶氮二異丁腈、偶氮二異庚腈、過氧化苯甲酰、過氧化二(2，4-二氯苯甲酰)、過氧化二乙酰、過氧化二辛酰或過氧化二月桂酰，單體為丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸乙酯或丙烯酸-2-乙基己酯。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

本發(fā)明采用超短玻纖和偶聯(lián)改性的常規(guī)玻纖混合制備成母料，有利于發(fā)揮取向工藝以及填充長玻纖增強聚丙烯材料的優(yōu)勢；同時利用添加的表面接枝聚合物的超短玻纖對聚丙烯材料的脆性進行改性，細化晶型，利于彌補增強聚丙烯材料工藝造成的韌性的下降；得到具有高強度同時具有良好韌性的聚丙烯復合材料，該復合材料有望應用于高強聚丙烯管材和聚合物復合材料結構部件中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的方法中制備得到的改性玻纖的偏光顯微鏡圖。

圖2為本發(fā)明提供的方法制備得到的雙組份改性玻纖填充聚丙烯復合材料的偏光顯微鏡圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例和附圖來進一步說明本發(fā)明，但實施例并不對本發(fā)明做任何形式的限定。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設備為本技術領域常規(guī)試劑、方法和設備。

除非特別說明，本發(fā)明所用試劑和材料均為市購。

實施例1

稱取100g玻璃纖維到玻璃瓶中，使用無水乙醇和超純水配制95％乙醇水溶液，稱取1g(1wt％)硅烷偶聯(lián)劑(KH-570)加入到300mL乙醇水溶液中，充分混合均勻后，加入到玻璃纖維中，使用機械攪拌器攪拌24h，得到改性玻纖。稱取1g(5wt％)AIBN引發(fā)劑和20g(20wt％)丙烯酸丁酯(BA)，加入到玻璃瓶中與改性玻纖混合均勻。將玻璃瓶中的玻璃纖維及溶液分裝到4個球磨罐中，在每個球磨罐中加入等量球磨珠(大珠5粒，中珠30粒，小珠60粒)，將球磨罐(或滾筒式球磨機進行生產)密封好后放入行星式球磨機。開啟球磨機，在290r/min轉速下反應72h。取出球磨罐，將球磨罐放入通風櫥中放置12h，取出罐中的玻璃纖維，使用超純水洗滌三次，再用丙酮洗滌一次，去除聚合單體等其他雜質，將玻璃纖維放入真空干燥箱中干燥24h。得到表面接枝有丙烯酸丁酯的玻璃纖維(BA-g-GF)。

將聚丙烯(PP)粒料和玻璃纖維(KH570-g-GF、BA-g-GF)放入電熱恒溫鼓風烘箱中，在110℃下干燥24h除去原料中的水分。分別稱取等份數(shù)KH570-g-GF和BA-g-GF進行混合，總質量含量分別為2％、5％、10％、20％、30％，再稱取1wt％抗氧化劑1010，經(jīng)混合使玻纖、PP粒料和抗氧化劑初步混合后，加入到密煉機中進行密煉10min，得到母料。使用塑料破碎造粒機將得到的塊狀母料破碎為母粒。使用轉矩流變儀的單螺桿擠出機頭進行擠出成型加工，擠出機口模尺寸為10mm×2mm，口模后接牽伸機將片材牽伸為厚度約為0.3mm-0.5mm的片材，收卷后即得到改性玻纖聚丙烯復合材料片材，牽伸比約為4:1。各步驟的具體條件如下表所示。

表1密煉和擠出工藝的加工參數(shù)

注：2％表示母料原料中KH570-g-GF和BA-g-GF的百分比含量，其中KH570-g-GF和BA-g-GF的混合比為1:1，其他比例依次類推。

將擠出牽伸后的片材裁剪為啞鈴形樣條，試驗機拉伸速度為10mm/min，環(huán)境溫度為室溫。使用含經(jīng)過接枝改性玻纖的復合材料，斷裂伸長率和拉伸強度性能優(yōu)于使用改性玻纖，分別可提高23.9％和2.3％。

表2為不同KH570-g-GF和BA-g-GF的摻雜百分比例所獲得的材料的斷裂伸長提高率和拉伸強度提高率。

表2

實施例2

與實施例1操作類似，采用聚合單體為丙烯酸三氟乙酯制備接枝改性的玻纖，并與KH570-g-GF混合，混合質量比為3:2，其它制備條件不變。雙組份玻纖填充聚丙烯制備復合材料加工條件同表1。將擠出牽伸后的片材裁剪為啞鈴形樣條，試驗機拉伸速度為10mm/min，環(huán)境溫度為室溫。測得的復合材料的斷裂伸長率和拉伸強度性能優(yōu)于使用改性玻纖，分別可提高30.1％和5.0％。