专利名称：木粉增强聚丙烯模塑料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种木粉增强聚丙烯模塑料(或称聚丙烯/木粉模塑料)及其制备方法。
木粉是一种廉价易得的物质，作为塑料的填料，已经受到重视。长期以来，木粉广泛用于酚醛模塑料等热固性塑料中，作为降低成本及调整流动性的填料。近年来已有报道将木粉用作热塑性塑料的填料，但主要是作为一种增量性填料使用，木粉的增强潜力末能得到发掘和体现。
本发明的目的是提供一种能充分体现木粉中纤维素增强能力的木粉增强聚丙烯模塑料及其制备方法。
本发明的措施是通过合理选用大分子助剂，利用这些助剂的偶联剂作用，即促进木粉与聚烯烃界面粘结作用，以及大分子助剂促进填料分散和改善流动性能的作用，制备出充分体现木粉增强能力的具有良好力学性能和综合性能的本粉增强聚丙烯模塑料。
本发明的木粉增强聚丙聚模塑料由100份(按重量比，以下同)聚丙聚树脂、1～15份大分子偶联剂、5～130份木粉组成。较常用的成分组成按重量比为聚丙烯树脂100份、木粉30～90份，大分子偶联剂为木粉量的2～5％。所用的大分子偶联剂为选自乙烯或丙烯与丙烯酰类单体、马来酸酐或马来酸的共聚物(其分子量为2000～100000，酸值为15～67)，以及有机酸或酸酐改性的聚烯烃中的一种或一种以上；使用一种以上时，它们之间可为任意比例。
本发明所用的聚丙烯树脂最好为注射级或挤出级的丙烯均聚物或丙烯-乙烯共聚物，可以是新树脂或从废旧聚丙烯制品回收的树脂。所用木粉可以是现有酚醛模塑料中使用的80、100或120目木粉，也可以是一般的木材锯末(如从家具厂回收的锯末)经筛分后得到的20、40、60、80、100目木粉。
上述本发明模塑料的成分组成中还可以再增加0.5～15份(常用为2～5份，按重量比)的加工助剂，以进一步促进填料(木粉)分散和改善流动性能，使产品具有更好的加工性能，容易用注塑和模压的方法成型，得到外观和性能良好的制品。所用的加工助剂为选自聚乙烯蜡、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、氧化聚丙烯、氯化石蜡中的一种或一种以上；使用一种以上时，它们之间可为任意比例。
上述本发明的木粉增强聚丙烯模塑料的制备方法包括如下步聚(1)、将干燥的聚丙烯、木粉、大分子偶联剂及加工助剂按所需配比混合成干混物；可采用高速混合机、捏合机或螺带混合机，或手工在常温下混合；(2)、将上述干混物加入双螺杆挤出机的计量料斗，向挤出机的加料口计量输送，输送速率不大于挤出机输送段的固体输送速率；(3)、进入挤出机的物料经一个固体输送段、一个或多个压缩段、一个或多个混合段、最终经一个长径比为3～15的计量段和压缩比不小于2的口模离开挤出机；也就是说，所用的挤出机具有一个固体输送段、一个或多个压缩段、一个或多个混合段、一个长径比为3～15的计量段，其口模压缩比不小于2；(4)、从挤出机出来的物料用空气或水冷却到其软化点以下，切粒或粉碎，然后分级、干燥，即得所需的木粉增强聚丙烯模塑料。
通常情况下。上述本发明方法所用的挤出机的长径比为25～45，挤出机加料口温度为80～220℃，螺杆转速为20～300转/分，机头温度为150～260℃，真空口压力为8kPa至常压。
上述方法中，所说的干混物的成份配比按重量比一般为聚丙聚树脂100份，大分子偶联联剂1～15份，加工助剂0～15份，木粉5～130份。
按照本发明上述成分组成和方法制备的木粉增强聚丙烯模塑料，其熔体流动速率为0.8～22g/10min、经注射成型制成标准试样或者注塑成面积不小于120cm2、厚度为3.2或6mm的板状制品，再用车、铣等方法加工成试样，按照ASTM标准测得的性能为拉伸模量E＝1.5～3.0GPa；拉伸强度σ＝18～38MPa；Izod缺口冲击强度SI＝20～90J/m(23℃)；室温下1.38m/s及平面应变条件下断裂能释放速率为Gc＝1.5～2.5kJ/m2，断裂韧度为Kα＝0.9～2.7MPa
按照本发明，一般而言，填充木粉使材料模量增大。由于大分子偶联剂的使用，使拉伸强度和冲击强度均有可观的增大，断裂韧度通常会两倍于木粉含量相同、但不含偶联剂的木粉增强聚丙烯模塑料；若不使用大分子偶联剂，拉伸强度随着木粉含量增大而大幅降低，冲击强度也有所下降。当使用相同的树脂而且木粉含量基本不变时，在本发明所涉及的偶联剂用量范围内，拉伸模量和抗冲击性能均随大分子偶联剂含量增大而增大。此外，在本发明涉及的范围内，模量、拉伸强度、冲击强度及Gc和Kc均随着填料颗粒长径比增大而增大，符合纤维复合材料的一般规律。
图1是按本发明实施例4制备的木粉增强聚丙烯模塑料的拉伸模量、拉伸强度及冲击强度对木粉含量的依赖性的示意图，说明大分子偶联剂(丙烯-马来酸酐共聚物)存在与否对各种填料含量下的木粉增强聚丙烯性能的影响。其中(a)为含有大分子偶联剂的情况，(b)为不含大分子偶联剂的情况；Er、σr和SI，r分别表示木粉/聚丙烯体系与相应基体树脂的拉伸模量、拉伸强度及冲击强度的比值。从图1可见，当木粉含量在更具有实际意义的20％及以上时，丙烯-马来酸酐共聚物的存在使木粉/聚丙烯塑料的拉伸模量高于不含该偶联组分的塑料。图1还表明，丙烯-马来酸酐共聚物组分的使用与否，对拉伸强度和冲击强度的影响更为突出不使用该助剂时，σr、SI，r均随木粉含量增大而下降，而且静态拉伸强度的下降十分显著；但是包含丙烯-马来酸酐共聚物的木粉/聚丙烯塑料，σr、SI，r都随木粉含量增大而增大，充分体现了该偶联组分对提高木粉增强效率的作用。
以下通过实施例对本发明作进一步说明。各实施例中的成分含量均按重量比计算。
实施例1将干燥过的挤出级聚丙烯树脂(熔体流动速率1.8g/10min)100份，用于酚醛模塑料的100目木粉25份、丙烯-马来酸酐共聚物(酸值47，分子量接近1万)2.5份配成干混物，用Φ34mm同向双螺杆挤出机，通过水冷却牵引切粒及干燥，成为注塑用的粒料。双螺杆挤出机长径比为42，操作条件为加料口温度150℃，机头温度为190℃，主机转速160转/分，计量段与最后一个混合段之间压力为20kPa。该聚丙烯/木粉模塑粒料经注射成型，分别制成ASTM标准试样和尺寸为80×160×6mm3，80×200×3mm3的两种板，制品呈棕色，表面光洁，无肉眼可见的皮-芯结构。按照ASTM测得的性能指标为E＝2.19±0.17GPa；σ＝30.39±0.04MPa，SI＝80.76±0.31J/m。与丙烯-马来酸酐共聚物含量为零时相比，模量无变化，拉伸强度和冲击强度分别增大了23％和42％。
实施例2丙烯-马来酸酐共聚物含量10份，其余与实施例1相同，外观与实施例1中的产物相似，模量、拉伸强度、冲击强度相对于无丙烯-马来酸酐共聚物体系分别增大23％、31％、56％。
实施例3按照实施例1，干混物中额外含聚乙烯蜡2.5份，得到的模塑料和注塑制品呈黄色，性质接近于实施例1。
实施例4按照实施3，以乙烯-丙烯酸共聚物(酸值30，分子量约14000)代替丙烯-马来酸酐共聚物，产品性质及外观与实施例3相近，表面更有光泽。
实施例5干燥后的注塑级聚丙烯树脂(熔体流动速率8.2g/10min)100份、从家具工厂锯末筛分得到的20目木粉120份，前例中的丙烯-马来酸酐共聚物(酸值47，分子量接近1万)10份，回头料(粉料)10份，按照与实施例1相似的方法配混、挤出，挤出物用空气冷却后切粒，过8目筛后用于注塑成型，筛余物作为回头料计量投入干混物原料中。注塑时可配入不同比例的聚丙烯树脂，使最终制品中木粉重量含量为5～40％。如此配置的模塑料易于在通常的聚丙烯成型条件下注塑成型，得到的3.2mm和6mm板呈棕黑色，表面平整。木粉重量含量不低于20％时，机械如工性质接近木材。按照树脂性质归一化后，该聚丙烯/木粉模塑料的拉伸模量、拉伸强度及冲击强度对木粉含量的依赖性如图1(a)所示；偶联剂含量为零时的结果如图1(b)所示。
实施例6按照实施例4，干混物中额外含加工助剂共10份(聚乙烯蜡、氯化石蜡各5份)，得到的模塑料和注塑制品呈棕黄色，注塑制品外观不整而且有光泽易于机械加工。木粉重量含量为40％的这种聚丙烯/木粉模塑料，其性质为熔体流动速率2.2g/10min；拉伸模量2.9GPa；拉伸强度37MPa；断裂伸长率4％；Izod缺口冲击强度SI＝23.3J/m。
实施例7按照实施1，但是干混物中额外含有回收聚丙烯100份，加工助剂共10份(聚乙烯蜡3份、氧化聚乙烯3份、氯化聚乙烯4份)，木粉含量为200份，偶联剂丙烯-马来酸酐共聚物含量为10份，得到的模塑料母料熔体流动速率1.0g/10min。配加适量注塑级树脂，使木粉重量含量为40％，在典型的聚丙烯注塑条件下成型，注塑制品呈棕黄色，注塑制品外观平整而且有光泽，易于机械加工。这种聚丙烯/木粉模塑料，其性质为拉伸模量2.9GPa；拉伸强度37MPa；断裂伸长率4％；Izod缺口冲击强度SI＝23.3J/m。
实施例8按照实施例7，其中所含回收聚丙烯为200份，木粉为300份，偶联剂为15份，得到的模塑料母料熔体流动速率为2.2g/10min。其它与实施例7相同。
权利要求
1.一种木粉增强聚丙烯模塑料，其特征是按重量比其成分组成包括聚丙烯树脂100份，大分子偶联剂1～15份，木粉5～130份；所说的大分子偶联剂为选自乙烯或丙烯与丙烯酰类单体、马来酸酐或马来酸的共聚物，以及有机酸或酸酐改性的聚烯烃中的一种或一种以上。
2.按照权利要求1所述的模塑料，其特征是按重量比其成分组成包括聚丙烯树脂100份，木粉30～90份，大分子偶联剂为木粉量的2～5％。
3.按照权利要求1或2所述的模塑料，其特征是所说的聚丙烯树脂为注射或挤出级的丙烯均聚物或丙烯-乙烯共聚物。
4.按照权利要求1或2所述的模塑料，其特征是成分组成中按重量比计还含有0.5～15份加工助剂，该加工助剂为选自聚乙烯蜡、氯化聚乙烯、氧化聚乙烯、氧化聚丙烯、氯化石蜡中的一种或一种以上。
5.按照权利要求4所述的模塑料，其特征是按重量比，成分组成中含有的加工助剂为2～5份。
6.一种木粉增强聚丙烯模塑料的制备方法，其步聚为(1)、将干燥的聚丙烯、木粉、大分子偶联剂及加工助剂按所需配比混合成干混物；(2)、将上述干混物加入双螺杆挤出机的计量料斗，向挤出机的加料口计量输送，输送速率不大于挤出机输送段的固体输送速率；(3)、进入挤出机的物料经一个固体输送段、一个或多个压缩段、一个或多个混合段、最终经一个长径比为3～15的计量段和压缩比不小于2的口模离开挤出机；(4)、离开挤出机的物料用空气或水冷却到其软化点以下，切粒或粉碎，然后分级、干燥，即得所需模塑料。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征是所用的挤出机的长径比为25～45，挤出机加料口温度为80～220℃，螺杆转速为20～300转/分，机头温度为150～260℃，真空口压力为8kPa至常压。
8.按照权利要求4或5所述的方法，其特征是所说的干混物的成分配比按重量比为聚丙烯树脂100份，大分子偶联剂1～15份，加工助剂0～15份，木粉5～130份。
全文摘要
本发明涉及一种木粉增强聚丙烯模塑料及其制备方法。成分包括聚丙烯、木粉、大分子偶联剂、加工助剂,用双螺杆挤出制备的该模塑料,由于采用大分子偶联剂,使木粉的增强作用得到充分发挥,其拉伸模量、拉伸强度、冲击强度可分别提高100～180%、16～38%和15%。该模塑料具有良好的加工性能,易于用注塑或模压的方法成型,适合于制备各种外观和性能良好的制品。
文档编号C08L97/00GK1257890SQ9911729
公开日2000年6月28日 申请日期1999年12月17日 优先权日1999年12月17日
发明者李铁骑, 曾汉民 申请人:广东工业大学, 中山大学