专利名称：以级配填料制备聚合物复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及一种聚合物复合材料的制备方法，特别是一种以级配填料制备聚合物复合材料的方法。
背景技术：
材料被称为现代工业的骨肉，单一性能的材料早已无法满足现代工业对材料多功能的要求，用不同性能的基材进行复合，充分发挥优势互补是新材料发展的必然趋势。以填料填充聚合物是对聚合物材料进行改性的重要方法之一。将高模量、高强度、具有独特性能的填料与低模量、低强度的聚合物基体复合，可大幅度降低复合材料的价格，提高复合材料的模量、尺寸稳定性和热稳定性，制得综合性能理想的聚合物复合材料制品。然而，大多数聚合物复合材料的加工成型是在熔融状态下进行的，当填料加入后对熔体粘度的影响极大，在填料浓度达10％以上时，填料浓度对分散体系粘度的影响可用以下公式表示η＝η1(1+Kgν2+1.41×ν22)式中η1为无填料时聚合物熔体的粘度，ν2为填料体积分数，Kg对于硬球和正常流体为2.5；对于纤维填料随长径比增大而增加；对于单轴取向填料Kg为长径比的2倍。由上式可以看出，填料的加入特别是在高填充量时会造成聚合物复合体系熔体粘度的大幅上升和加工性能的劣化，增加设备磨损，影响生产效率、复合材料的性能以及制品质量。为了克服这些缺点，生产中通常以加入增塑剂和润滑剂等方法来降低体系的粘度和改善加工性能，但是它们的加入又容易造成复合材料力学性能和耐热性能的下降。如何克服现有制备填充聚合物复合材料所存在的缺点，已成为当今复合材料领域中亟待解决的难题之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以级配填料制备聚合物复合材料的方法，使该聚合物复合材料熔融粘度下降、拉伸和冲击强度等综合性能得到较大幅度的提高。
根据本发明提出的以级配填料制备聚合物复合材料的方法，首先预置刚性颗粒填料，然后将粗、细颗粒填料级配混合，再填充聚合物，从而制得聚合物复合材料，其特征是预置的刚性颗粒填料为平均粒径相差1至5倍的粗颗粒和细颗粒，粗、细颗粒填料按照10∶90至90∶10之间的质量百分比例级配混合，以满足填料颗粒粒径分布宽度值δ达到最大， 式中Dn为第n个粒级的粒径、Dv为粒子的体积平均粒径、Cn为第n个粒子的百分含量。
本发明的原理是通过合理地控制填充颗粒粒径大小和粒径分布，以提高填料的堆积效率，进而改善聚合物复合材料的综合性能。本发明符合Gay等人提出的以下方程的规律η∞＝μ·exp{[2.5+(Φ/(Φm-Φ))0.48]·Φ/Φm}式中η∞为高剪切速率下粘度、Φ为填充粒子的堆积体积分数、Φm为最大堆积体积分数。当填料的最大堆积体积分数Φm越大，则复合材料的粘度越小，其综合性能将越显著。
本发明与现有的颗粒填充技术相比，在不提高产品成本的情况下，有效降低了复合材料熔融粘度，提高了聚合物复合材料的加工性能，降低了对加工设备的磨损，同时聚合物复合材料的拉伸和冲击强度等综合性能得到了显著的提高。
四
图1是本发明不同比例的碳酸钙级配填料填充聚丙烯复合材料的熔融剪切粘度示意图。
图2是本发明不同比例的碳酸钙级配填料填充聚丙烯复合材料的拉伸强度示意图。
图3是本发明不同比例的碳酸钙级配填料填充聚丙烯复合材料的冲击强度示意图。
图4是本发明不同比例的碳酸钙级配填料填充聚乙烯复合材料的熔融剪切粘度示意图。
图5是本发明不同比例的碳酸钙级配填料填充聚乙烯复合材料的拉伸强度示意图。
图6是本发明不同比例的二氧化硅级配填料填充尼龙6复合材料的熔融剪切粘度示意图。
图7是本发明不同比例的二氧化硅级配填料填充尼龙6复合材料的拉伸强度示意图。
五具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1，结合图1、图2和图3，以碳酸钙级配填料填充聚丙烯制备复合材料的方法。
1、碳酸钙填充颗粒的级配和分布宽度的测定首先预置平均粒径分别为40μm和10μm的粗、细两种碳酸钙填料，然后按照下表的比例混合，再测试各级配颗粒的粒径分布宽度，结果如表1所示表1不同粗细比例混合的碳酸钙填料的分布宽度
表1中结果表明，合理的级配可以有效的增加填充颗粒的分布宽度，提高填充颗粒的堆积密度。分别以表1中级配的填料填充聚丙烯制备复合材料。
2、聚丙烯复合材料的制备将、粗细两种碳酸钙填料按表1试样号配比，填充量为聚丙烯复合材料总质量的30wt％，分别与聚丙烯混合，然后用CS-194AV小型混合挤出机造粒，机头温度为230℃，螺杆温度为220℃。
3、级配碳酸钙填充聚丙烯制得复合材料的流变性能的测定用Instron-3213型毛细管流变仪在230℃下测定表1中所列级配碳酸钙填料填充聚丙烯的剪切粘度(活塞下降速度为1mm/s)，其结果见图1。
图1结果表明，以不同级配比例的碳酸钙填充聚丙烯，所得的剪切粘度是完全不同的。填充颗粒分布宽度的增加、堆积密度的提高可以大幅度降低复合材料的剪切粘度。当粗、细两种碳酸钙填料以60∶40至40∶60的质量百分比例级配时，聚丙烯复合材料的熔融剪切粘度达到最佳值。
4、碳酸钙级配填料填充聚丙烯复合材料力学性能的测定按照GB1040，用Instron Corporation的IX型万能力学测试仪分别测试按上述方法制得的复合材料的拉伸强度，结果见图2。按照GB1843，用XCJ-40型摆锤式冲击仪分别测试各材料的缺口冲击强度，结果见图3。
测定结果表明，碳酸钙填料的有效级配可以使聚丙稀复合材料的冲击性能提高一倍以上，同时其拉伸性能也得到相应的提高。
实施例2，结合图4和图5，以碳酸钙级配填料填充聚乙烯制备复合材料的方法。
1、填料颗粒的级配和分布宽度的测定同实施例1。
2、聚乙烯复合材料的制备将粗、细两种碳酸钙填料按表1试样号配比，填充量为聚乙烯复合材料总质量的30wt％，分别与聚乙烯混合，然后用CS-194AV小型混合挤出机上造粒，机头温度为180℃，螺杆温度为190℃。
3、碳酸钙级配填料填充聚乙烯复合材料流变性能的测定用Instron-3213型毛细管流变仪在190℃下测定表1中所列级配碳酸钙填料填充聚乙烯的剪切粘度(活塞下降速度为1mm/s)，其结果见图4。
图4结果表明，以不同级配比例的碳酸钙填充聚乙烯，所得的剪切粘度是完全不同的。填充颗粒分布宽度的增加、堆积密度的提高可以大幅度降低复合材料的剪切粘度。当粗、细两种碳酸钙填料以60∶40至40∶60的质量百分比例级配时，聚乙烯复合材料的熔融剪切粘度达到最佳值。
4、碳酸钙级配填料填充聚乙烯复合材料力学性能的测定按照GB1040，用Instron Corporation的IX型万能力学测试仪分别测试按上述方法制得的填充聚乙烯复合材料的拉伸强度，结果见图5。
测定结果表明，碳酸钙填料的有效级配可以使聚乙稀复合材料的拉伸性能有一定提高。
实施例3，结合图6和图7，以二氧化硅级配填料填充尼龙6制备复合材料的方法1、填料颗粒的级配和分布宽度的测定首先预置平均粒径分别为12.5μm和5μm的粗、细两种二氧化硅填料，然后按照表2的比例混合，再测试各级配颗粒的粒径分布宽度，结果如表2所示表2不同粗细比例混合的二氧化硅填料的分布宽度
表2结果表明，合理的级配可以有效地增加填充颗粒的分布宽度，提高填充颗粒的堆积密度。分别以表2中级配的填料填充尼龙6制备复合材料。
2、尼龙6复合材料的制备将粗、细两种二氧化硅填料按表2试样号配比，填充量为尼龙6复合材料总质量的30wt％，分别与尼龙6混合，然后用CS-194AV小型混合挤出机造粒，机头温度为265℃，螺杆温度为255℃。
3、二氧化硅级配填料填充尼龙6复合材料流变性能的测定用Instron-3213型毛细管流变仪在275℃下测定表2中所列级配二氧化硅填料填充尼龙6的剪切粘度(活塞下降速度为1mm/s)，其结果见图6。
图6结果表明，以不同级配比例的二氧化硅填充尼龙6，所得的剪切粘度是完全不同的。填充颗粒分布宽度的增加、堆积密度的提高可以大幅度降低复合材料的剪切粘度。当粗、细两种二氧化硅填料以20∶80至40∶60的质量百分比例级配时，尼龙6复合材料的熔融剪切粘度达到最佳值。
4、二氧化硅级配填料填充尼龙6复合材料力学性能的测定按照GB1040，用Instron Corporation的IX型万能力学测试仪分别测试按上述方法制得的复合材料的拉伸强度，结果见图7。
测定结果表明，二氧化硅填料的有效级配可使尼龙6复合材料的拉伸性能有一定提高。
权利要求
1.一种以级配填料制备聚合物复合材料的方法，首先预置刚性颗粒填料，然后将粗、细颗粒填料级配混合，再填充聚合物，从而制得聚合物复合材料，其特征是预置的刚性颗粒填料为平均粒径相差1至5倍的粗颗粒和细颗粒，粗、细两种颗粒填料按照10∶90至90∶10之间的质量百分比例级配混合，以满足填料颗粒粒径分布宽度值δ达到最大， 式中Dn为第n个粒子的粒径、Du为粒子的体积平均粒径、Cn为第n个粒子的百分含量。
2.根据权利要求1所述的以级配填料制备聚合物复合材料方法，其特征是刚性颗粒填料为平均粒径相差2至4倍的粗颗粒和细颗粒。
全文摘要
本发明涉及一种聚合物复合材料的制备方法,特别是一种以级配填料制备聚合物复合材料的方法。该方法以预置的平均粒径相差1至5倍的粗、细两种刚性颗粒填料按照10∶90至90∶10之间的质量百分比例级配混合,并满足填料颗粒粒径分布宽度值δ达到最大,然后填充聚合物而制得聚合物复合材料。本发明在不提高产品成本的情况下有效地提高了聚合复合材料的加工性能和综合性能,有广泛的推广应用价值。
文档编号C08J3/20GK1357560SQ0113806
公开日2002年7月10日 申请日期2001年12月30日 优先权日2001年12月30日
发明者沈健, 胡柏星 申请人:南京大学表面和界面化学工程技术研究中心