一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料及制备方法与流程

本发明涉及聚丙烯复合材料，尤其涉及一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料及制备方法。

背景技术：

1、聚丙烯具有密度低、耐化学腐蚀、加工性能良好以及成本较低等特点，被广泛应用于汽车零部件、家用电器、机械结构件及工业制品等领域，但是，聚丙烯自身存在刚性、耐热性及尺寸稳定性不足等问题，因此现有技术通常通过加入玻璃纤维对聚丙烯进行增强，以提高材料的拉伸强度、弯曲强度及弯曲模量；

2、然而，现有玻璃纤维增强聚丙烯材料仍存在以下问题：

3、玻璃纤维与聚丙烯基体之间的界面结合较弱：聚丙烯属于非极性聚合物，而玻璃纤维表面具有较强极性，二者界面相容性有限，玻璃纤维与基体之间容易形成界面缺陷，使外部载荷难以有效传递至玻璃纤维，导致玻璃纤维的增强作用不能充分发挥；

4、玻璃纤维在熔融共混过程中容易发生团聚和取向：玻璃纤维加入量增加后，若混炼和输送条件控制不当，容易出现玻璃纤维分散不均以及局部聚集；同时，玻璃纤维具有较大的长径比，在熔体流动过程中容易沿流动方向排列，使材料不同方向的收缩率产生差异，进而导致注塑制品发生翘曲变形；

5、玻璃纤维增强与材料韧性之间存在矛盾：玻璃纤维能够提高聚丙烯的刚性和强度，但玻璃纤维属于刚性增强相，当其含量较高或者界面结合不均匀时，容易形成应力集中区域，使材料受到冲击时裂纹快速扩展，从而造成冲击韧性下降；

6、综合上述，本技术提出了一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料及制备方法。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料及制备方法。

2、本发明提出的一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料，包括以下重量份的原料：聚丙烯树脂55～75份、玻璃纤维20～35份、马来酸酐接枝聚丙烯2～5份、弹性体增韧剂2～6份、成核剂0.1～0.5份、抗氧剂0.2～0.6份、润滑剂0.2～0.8份。

3、优选地，包括以下重量份的原料：聚丙烯树脂62～70份、玻璃纤维25～32份、马来酸酐接枝聚丙烯2.5～4份、弹性体增韧剂3～5份、成核剂0.15～0.35份、抗氧剂0.3～0.5份、润滑剂0.3～0.6份。

4、优选地，所述聚丙烯树脂为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯中的一种或两种组合；

5、所述弹性体增韧剂为聚烯烃弹性体、乙烯-丙烯共聚物或乙烯-辛烯共聚物中的一种或多种；

6、所述成核剂用于促进聚丙烯基体结晶，并调节聚丙烯基体的晶体结构。

7、优选地，所述玻璃纤维的单丝直径为12～17μm，短切长度为4～5mm，玻璃纤维表面设置有界面处理层，界面处理层包括硅烷偶联组分和聚丙烯相容组分，硅烷偶联组分用于增强玻璃纤维表面活性，聚丙烯相容组分用于提高界面处理层与pp基体之间的结合能力。

8、本发明还提出了一种玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

9、s1：原料预处理：取55～75份聚丙烯树脂、2～5份马来酸酐接枝聚丙烯、2～6份弹性体增韧剂、0.1～0.5份成核剂、0.2～0.6份抗氧剂及0.2～0.8份润滑剂进行干燥处理，并取20～35份玻璃纤维对其进行表面处理；

10、s2：构建聚丙烯增韧相：将s1中预处理后的聚丙烯树脂、马来酸酐接枝聚丙烯、弹性体增韧剂、成核剂、抗氧剂及润滑剂加入高速混合设备中进行预混5～10 min，得到pp复合基料；

11、s3：玻璃纤维分阶段引入：将s2得到的pp复合基料送入双螺杆挤出机进行熔融塑化，并将玻璃纤维分为至少两次加入，第一部分玻璃纤维加入量为总玻璃纤维的30～50%，第二部分玻璃纤维加入量为总玻璃纤维的50～70%；

12、s4：分段剪切分散：对加入玻璃纤维后的熔融物料进行分段剪切，其中玻璃纤维初次加入区域采用较高剪切强度，使玻璃纤维快速分散；后续区域降低剪切强度，使已经分散的玻璃纤维保持一定长度；

13、s5：界面浸润与协同增强：将s4得到的熔融混合物进一步输送，使聚丙烯基体充分包覆玻璃纤维表面，并利用马来酸酐接枝聚丙烯在玻璃纤维与pp基体之间形成界面过渡层，同时弹性体增韧剂在pp基体中形成分散增韧相；

14、s6：真空排气及挤出造粒：对s5得到的熔融混合物进行真空排气，以去除熔融共混过程中产生的水分及挥发性物质，然后经挤出、冷却和切粒处理，得到玻璃纤维增强的聚丙烯复合材料。

15、优选地，所述s3的具体逻辑步骤如下：

16、s301：确定玻璃纤维分阶段加入量：获取玻璃纤维总加入量，并按照预设比例将其划分为第一部分和第二部分，其中第一部分占玻璃纤维总量的30～50%，第二部分占50～70%；

17、s302：pp复合基料熔融塑化：将s2得到的pp复合基料送入双螺杆挤出机，使pp复合基料充分熔融塑化，通过熔体温度传感器获取塑化区域的实际熔体温度，当熔体达到预设塑化温度范围后，判定pp复合基料形成稳定熔融相，并进入第一玻璃纤维加料阶段；

18、s303：第一阶段加入并预分散玻璃纤维：将第一部分玻璃纤维加入熔融的pp复合基料中，并通过螺杆输送和剪切作用使玻璃纤维初步分散和浸润，且控制第一部分玻璃纤维的加入速率为：，其中为第一阶段玻璃纤维加入速率，为第一部分玻璃纤维的加入时间；

19、s304：第二阶段加入剩余玻璃纤维：将经过初步分散的熔融物料继续向下游输送，在第二加料位置加入第二部分玻璃纤维，使剩余玻璃纤维逐步进入pp熔体，并与第一部分玻璃纤维共同形成分散的玻璃纤维增强体系，且第二阶段玻璃纤维加入速率为：，其中为第二阶段玻璃纤维加入速率，为第二部分玻璃纤维的加入时间；

20、从而得到分阶段引入的玻璃纤维和pp熔融混合物，并送入s4进行进一步的分段剪切分散。

21、优选地，所述s4的具体逻辑步骤如下：

22、s401：确定分段剪切区域：获取s3得到的玻璃纤维和pp熔融混合物，根据双螺杆挤出机的输送方向划分为前段分散区域和后段保长区域，前段分散区域对应玻璃纤维初次加入后的混炼区域，后段保长区域对应玻璃纤维完成初步分散后的输送区域；

23、s402：前段高剪切分散：在前段分散区域采用第一剪切强度对熔融物料进行剪切，使加入的玻璃纤维在pp熔体中充分分散并与pp基体接触，通过提高前段剪切作用，使玻璃纤维团聚体被打散，形成较为均匀的玻璃纤维分散状态；

24、s403：后段低剪切保长：将s402中经过前段分散的熔融物料输送至后段保长区域，并降低剪切强度，使已经分散的玻璃纤维在继续混合的同时减少过度断裂，其后段剪切速率表示为：，并控制；

25、其中为后段保长区域的剪切速率，为后段熔体相对剪切速度，为后段剪切间隙；

26、由此形成前段高剪切分散、后段低剪切保长的分段剪切过程；

27、s404：形成均匀保长的玻纤增强熔融体系：对s403中经过后段低剪切处理的熔融物料继续输送，使玻璃纤维保持分散状态并减少纤维长度损失，得到具有较均匀玻璃纤维分布和较好纤维长度保持率的增强熔融体系，并送入s5进行界面浸润；

28、为了评价玻璃纤维在剪切后的长度保持程度，可采用纤维长度保持率：；

29、其中为玻璃纤维长度保持率，为进入s4前玻璃纤维的平均长度，为经过s4分段剪切后的玻璃纤维平均长度。

30、优选地，所述s5的具体逻辑步骤如下：

31、s501：促进pp基体包覆玻璃纤维：将s4得到的玻璃纤维/pp熔融混合物继续输送至界面浸润区域，使熔融状态的pp基体充分接触并包覆玻璃纤维表面，其采用玻璃纤维表面包覆率评价浸润程度；

32、通过提高玻璃纤维表面的pp包覆程度，减少玻璃纤维与pp基体之间的界面缺陷；

33、s502：形成玻璃纤维和pp界面过渡层：在pp基体包覆玻璃纤维的过程中，马来酸酐接枝聚丙烯向玻璃纤维与pp基体的界面迁移并形成界面过渡区域，提高玻璃纤维与pp基体之间的界面结合率，采用界面结合效率进行表征；

34、s503：弹性体增韧相分散：将s2中加入的弹性体增韧剂随pp熔体输送至混炼区域，使其在pp连续相中熔融并分散，形成均匀分布的弹性体增韧相，根据弹性体增韧剂质量与pp树脂质量计算其在基体中的质量占比；

35、s504：形成多相协同结构：经上述界面浸润及分散处理后，使玻璃纤维作为增强相均匀分布于pp连续相中，马来酸酐接枝聚丙烯形成玻璃纤维与pp基体之间的界面过渡区域，弹性体形成分散于pp连续相中的增韧相，最终形成“玻璃纤维增强相-界面过渡相-pp连续相-弹性体增韧相”的多相协同结构，并输送至s6进行后续真空排气和造粒。

36、优选地，所述s6中，真空排气过程中控制熔融混合物温度为190～220℃，挤出过程中控制熔体温度为200～230℃，并将挤出后的熔融物冷却至40～80℃后进行切粒处理。

37、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

38、通过在聚丙烯基体中引入马来酸酐接枝聚丙烯，并在玻璃纤维分散过程中促进基体对玻璃纤维表面的浸润，使玻璃纤维与聚丙烯基体之间形成稳定的界面过渡区域，从而增强两相之间的界面结合能力，改善载荷由聚丙烯基体向玻璃纤维的传递效果，提高复合材料的拉伸强度和弯曲强度；

39、通过将玻璃纤维分阶段加入熔融聚丙烯体系，并采用前段高剪切分散、后段低剪切保长的分段剪切方式，使玻璃纤维充分分散的同时减少过度剪切造成的纤维断裂及过度取向，从而提高玻璃纤维的有效增强作用，并改善复合材料的尺寸稳定性及成型一致；

40、在玻璃纤维增强聚丙烯体系中引入弹性体增韧相，使弹性体均匀分散于聚丙烯连续相中，并与玻璃纤维增强相及界面过渡相形成多相协同结构，在保持玻璃纤维增强所带来的刚度和强度提升的同时，缓解玻璃纤维引入导致的材料脆化，从而提高复合材料的抗冲击性能，实现刚性与韧性的平衡；

41、本发明通过对玻璃纤维进行分阶段加入，并结合分段剪切分散、马来酸酐接枝聚丙烯界面浸润及弹性体增韧处理，使玻璃纤维在聚丙烯基体中保持良好的分散状态和有效长度，增强玻璃纤维与聚丙烯基体之间的界面结合及载荷传递能力，同时减少玻璃纤维过度取向和断裂，并利用弹性体增韧相缓解玻璃纤维增强造成的材料脆化，从而在提高复合材料强度和刚度的同时改善抗冲击性能，实现强度、刚性与韧性的协调，提高复合材料的综合力学性能及成型稳定性。