一种高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.聚丙烯由于具有低密度、较好的机械强度、耐热性和耐化学腐蚀性而被广泛使用。聚丙烯使用玻纤增强，目前可分为两类，一类使用短玻璃纤维做增强材料，另一类使用连续型长玻璃纤维做增强材料，它们在家电制造、汽车制造等领域得到了大量的应用。因其具有强度高、抗冲击性能和长期疲劳、蠕变性能优异等特点，常用来替代传统的增强工程塑料甚至钢材，具有广泛的应用价值。
3.玻璃纤维增强聚丙烯材料的具有很高的强度，但是韧性方面通常较差，缺口冲击性能不高，传统的填充聚丙烯增加弹性体的手段不适合用来来改性玻纤增强聚丙烯材料，少量的弹性体加入对韧性影响甚微，而大量弹性体的加入会影响玻纤材料的强度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料，该目的是通过以下技术方案来实现的：
5.一种高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料，由以下组分按质量份制备而成：41.4-83.1份聚丙烯、10-40份玻璃纤维、3.5-10份十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料、3-7份马来酸酐接枝聚丙烯、0.2-1份抗氧剂和0.2-0.6份润滑剂。
6.作为优选的技术方案，所述十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料通过以下方法制备得到：将十六烷基三甲氧基硅烷分散在由无水乙醇和水组成的混合试剂中得到分散液；将纳米al2o3加入上述分散液中，在105-115℃温度中进行混合搅拌3-10min后，在30℃烘箱干燥2-4小时即得十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料。进一步优选的，所述十六烷基三甲氧基硅烷、无水乙醇、水的质量比为1：0.8-1.5：2-4；所述纳米al2o3与十六烷基三甲氧基硅烷的质量比为1:0.6-1.2。
7.作为优选的技术方案，所述聚丙烯为共聚聚丙烯、均聚聚丙烯中的至少一种。所述玻璃纤维为短切玻璃纤维或连续型玻璃纤维。所述马来酸酐接枝聚丙烯中功能基团含量为0.4-1wt％。所述抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯中的至少一种。所述润滑剂为乙撑双硬质酰胺、硬脂酸季戊四醇酯、硅酮粉中的至少一种。
[0008]
本发明的另一个目的是提供上述所述的高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料的制备方法，：包括以下步骤：按照配比将其由聚丙烯、十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料、马来酸酐接枝聚丙烯、抗氧剂和润滑剂充分混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将玻璃纤维从侧喂料口加入，经过熔融挤出造粒干燥后，制得高强度高韧性
玻璃纤维改性聚丙烯复合材料。优选的，所述双螺杆挤出机的主机转速为280-400rpm，机筒内温度为180-230℃。
[0009]
本发明的第三个目的是提供上述所述的高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料的应用，所述高强度高韧性玻璃纤维改性聚丙烯复合材料用于制造汽车内外饰用品、电子电器外壳、家电外壳。
[0010]
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0011]
本发明中使用的十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料是通过十六烷基三甲氧基硅烷对纳米al2o3进行改性，使十六烷基三甲氧基硅烷均匀吸附在纳米al2o3的外周表面，因为十六烷基三甲基硅烷形态上是长链结构，一端为极性一端为非极性，与无极材料表面结合力，其能够实现以下效果：i)能够降低纳米al2o3在聚丙烯内的团聚；ii)可提高纳米al2o3与基体聚丙烯、纳米al2o3与玻璃纤维之间的结合强度。iii)十六烷基三甲氧基硅烷改性纳米al2o3材料为球型结构，其与玻璃纤维的线性一维结构可在聚丙烯材料中形成二级分布，两者相互作用，互相提高彼此的分散均匀度；
[0012]
玻纤增强聚丙烯的原理是玻璃纤维的线性结构在材料受力时，力可传导至玻纤上，强度较大的玻纤分担基体材料所受的应力。当加入球型十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3，由于空间效应，球型十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3主要集中在簇状玻纤顶端，三种形态的材料分布，一方面可减小聚丙烯基体本身的内应力，提高与玻纤的结合强度；另一方面在材料受力时，应力通过玻纤传导至玻纤顶端，而分布在玻纤顶端聚丙烯基体内的球型十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3将应力有效地从一维线性结构向三维空间结构传递，有利于应力的释放；同时在受力时，玻纤顶端的聚丙烯基体产生裂纹，球型十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3可有效阻止裂纹的进一步扩大。
[0013]
综上效果，本发明制备的改性聚丙烯材料同时具有很高的韧性和刚性，可应用在汽车内外饰用品、电子电器外壳、家电外壳等领域。
具体实施方式
[0014]
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0015]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
[0016]
聚丙烯优选韩国sk集团的pp bx3800、利安德巴塞尔工业公司的pp ea5076、中国石化集团公司的pp t30s；
[0017]
玻璃纤维选用重庆国际复合材料股份有限公司的玻纤-305k-3.0、欧文斯科宁的玻纤-248a
[0018]
纳米al2o3为市售工业品，购买自南京天行新材料公司
[0019]
pp-g聚丙烯接枝马来酸酐优选gpm200a、gpm200b(宁波能之光)
[0020]
抗氧剂优选巴斯夫的抗氧剂1010、抗氧剂168；
[0021]
润滑剂优选乙撑双硬质酰胺、硅酮e525。
[0022]
上述试剂只是为了说明本发明实验时所采用的试剂来源和成分，以便充分公开，并不表示采用其他同类试剂或其他供应商提供的试剂就不能实现本发明，其他未标出的原料厂家或型号为本领域常规使用的，市购可得。
[0023]
实施例1
[0024]
按照重量份称取71份聚丙烯pp t30s、5份十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料，3份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.3份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.4份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将20份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为170℃、195℃、195℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃、195℃、200℃。
[0025]
本实施例中的十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料的制备方法为：(1)称取1g十六烷基三甲氧基硅烷，加入1g无水乙醇和2g去离子水的混合液中，在35℃条件下搅拌20min，得到十六烷基三甲氧基硅烷水溶液；(2)将0.8g纳米al2o3和上述十六烷基三甲氧基硅烷水溶液加入高混机中升温至110℃，混合5min后30℃烘箱干燥3小时，即得到十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3材料。
[0026]
实施例2
[0027]
按照重量份称取57.3份聚丙烯pp ea5076、7份十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料，5份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168和0.3份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将30份玻璃纤维-248a从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为360rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为180℃、195℃、195℃、195℃、200℃、200℃、210℃、210℃、210℃、220℃。
[0028]
本实施例中的十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料的制备方法为：(1)称取1g十六烷基三甲氧基硅烷，加入1.2g无水乙醇和3g去离子水的混合液中，在32℃条件下搅拌25min，得到十六烷基三甲氧基硅烷水溶液；(2)将1g纳米al2o3和上述十六烷基三甲氧基硅烷水溶液加入高混机中升温至110℃，混合8min后30℃烘箱干燥2.5小时，即得到十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3材料。
[0029]
实施例3
[0030]
按照重量份称取71份聚丙烯pp ea5076、6.5份十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料，6份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200b、0.2份抗氧剂1010、0.6份抗氧剂168和0.5份润滑剂乙撑双硬质酰胺混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将25份玻璃纤维-248a从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为300rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、220℃、220℃、220℃、225℃、220℃。
[0031]
本实施例中的十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料的制备方法为：(1)称1g十六烷基三甲氧基硅烷，加入适量的0.9g无水乙醇和2.5g去离子水的混合液中，在38℃条件下搅拌15min，得到十六烷基三甲氧基硅烷水溶液；(2)将0.7g纳米al2o3和上述十六烷基三甲氧基硅烷水溶液加入高混机中升温至110℃，混合6min后30℃烘箱干燥3.5小时，即得到十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3材料。
[0032]
实施例4
[0033]
按照重量份称取83.1份聚丙烯pp t30s、3.5份十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料，3份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.2份抗氧168和0.2份润滑剂乙撑双硬质酰胺混合均
匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将10份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为190℃、195℃、200℃、210℃、210℃、220℃、220℃、220℃、225℃、220℃。
[0034]
本实施例中的十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料的制备方法为：(1)称取1g十六烷基三甲氧基硅烷，加入0.8g无水乙醇和2g去离子水的混合液中，在30℃条件下搅拌10min，得到十六烷基三甲氧基硅烷水溶液；(2)将纳米al2o3和上述十六烷基三甲氧基硅烷水溶液加入高混机中升温至110℃，混合3min后30℃烘箱干燥2小时，即得到十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3材料。
[0035]
实施例5
[0036]
按照重量份称取41.4份聚丙烯pp bx3800、10份十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料，7份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200b、1份抗氧剂1010和0.6份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将40份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为190℃、195℃、200℃、200℃、200℃、200℃、210℃、220℃、220℃、230℃。
[0037]
本实施例中的十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3材料的制备方法为：(1)称取1g规定质量的十六烷基三甲氧基硅烷，加入适量的1.5g无水乙醇和4g去离子水的混合液中，在40℃条件下搅拌30min，得到十六烷基三甲氧基硅烷水溶液；(2)将1.2g纳米al2o3和上述十六烷基三甲氧基硅烷水溶液加入高混机中升温至110℃，混合10min后30℃烘箱干燥4小时，即得到十六烷基三甲氧基硅烷改性的纳米al2o3材料。
[0038]
对比例1
[0039]
按照重量份称取76份聚丙烯pp t30s、3份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.3份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.4份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将20份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为170℃、195℃、195℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃、195℃、200℃。
[0040]
对比例2
[0041]
按照重量份称取71份聚丙烯pp t30s、5份al2o3纳米材料，3份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.3份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.4份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将20份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为170℃、195℃、195℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃、195℃、200℃。
[0042]
对比例3：
[0043]
按照重量份称取72份聚丙烯pp t30s、2份al2o3纳米材料，3份聚丙烯接枝马来酸酐gpm200a、0.3份抗氧剂1010、0.3份抗氧剂168和0.4份润滑剂硅酮e525混合均匀后，从主料口加入双螺杆挤出机中，同时将20份玻璃纤维-305k-3.0从侧喂料口加入，控制双螺杆挤出机的主机转速为320rpm，所述双螺杆挤出机从喂料段到机头的温度依次为170℃、195℃、195℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃、195℃、200℃。
[0044]
将实施例1-5和对比例1-3中制得高强度高韧性玻纤改性聚丙烯材料进行相关性能的测试，其中；拉伸强度按照iso 527标准进行测试，测试样条尺寸为150*10*4mm，拉伸速
度为50mm/min；弯曲强度和弯曲模量按照iso 178标准进行测试，测试样条尺寸为80*10*4mm，弯曲速度为2mm/min，；悬臂梁缺口冲击强度按照iso 180标准进行测试，测试样条尺寸为80*10*4mm模塑，1a型。结果如表1中所示的：
[0045]
表1实施例和对比例中高强度高韧性玻纤改性聚丙烯材料的性能测试结果
[0046][0047]
从表1中的测试结果可以看出，本发明制备的聚丙烯改性材料由于十六烷基三甲氧基硅烷改性al2o3的加入，可显著提高材料的强度和抗冲击性能。
[0048]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0049]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。