一种高刚性轻量化的聚丙烯复合材料及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及高分子材料改性技术领域，更具体的，涉及一种高刚性轻量化的聚丙烯复合材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着碳中和战略的提出，越来越多的主机厂开始关注材料的低碳环保化，其中一个方向是再生料在汽车行业零部件的使用，通过碳基材料的再生循环使用，从而降低碳的排放。同时随着节能环保的发展，汽车轻量化也越来越受到主机厂的重视。
3.聚丙烯(pp)材料具有来源广、机械性能优异、耐疲劳屈服、价格便宜等优点，被广泛应用于多种领域。其再生料来源广泛，但是由于再生料与新料相比，经历了一次或多次熔融热历史，使得其分子链相对更短，因此力学性能劣化，特别是刚性较差。再生聚丙烯材料经传统的改性之后很难满足实际应用中的高刚性需求(一般要求弯曲强度≥30mpa，弯曲模量≥3000mpa)。
4.现有技术报道了一种以回收聚丙烯为基体改性的复合材料，包括回收聚丙烯、聚乙烯、矿物、玻璃纤维等组分，通过玻璃纤维和矿物提高回收聚丙烯的强度和刚性。但该复合材料中，矿物和玻璃纤维的添加量较多，制得复合材料的密度过高，达到1.2g/cm3，有悖于汽车轻量化的发展目标。
5.因此，需要开发出一种高刚性轻量化的聚丙烯复合材料。


技术实现要素：

6.本发明为克服上述现有技术所述的刚性不足、密度高的缺陷，提供一种高刚性轻量化的聚丙烯复合材料。
7.本发明的另一目的在于提供上述聚丙烯复合材料的制备方法。
8.本发明的另一目的在于提供上述聚丙烯复合材料的应用。
9.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
10.一种高刚性轻量化的聚丙烯复合材料，包括如下重量份的组分：
11.聚丙烯100份，
12.空心玻璃微珠10～40份，
13.偶联剂0.5～2份，
14.其他助剂0.1～4份；
15.所述聚丙烯包括聚丙烯树脂a和聚丙烯树脂b，且二者质量比为(1～2)：1；
16.所述聚丙烯树脂a为共聚聚丙烯，且熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下为20～50g/10min；所述聚丙烯树脂b的熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下为60～100g/10min。
17.在本发明中，所述聚丙烯树脂a为再生聚丙烯材料。
18.可选地，所述聚丙烯树脂a的回收来源可以为洗衣机桶部再生料。
19.聚丙烯的熔体流动速率的检测方法为gb/t 3682-2018。
20.聚丙烯树脂一般可分为均聚聚丙烯或共聚聚丙烯。本发明中聚丙烯树脂a为共聚聚丙烯，发明人研究发现，对于再生聚丙烯材料，共聚的聚合方式使得制得的聚丙烯复合材料具有优异的刚性，即弯曲模量和弯曲强度更高。
21.发明人研究发现，聚丙烯树脂a的熔体流动速率应在适宜的范围，才能制得兼具高刚性韧性、低密度的聚丙烯复合材料。聚丙烯树脂a的熔体流动速率过低时，粘度过高，会导致空心玻璃纤维在挤出过程中受到剪切应力而破损，在熔体流动速率为20g/10min以上时，可以减少后续挤出过程中空心玻璃微珠受到的剪切应力，从而极大地避免玻璃微珠破损，使得空心玻璃微珠在本发明的聚丙烯体系中实现减重、增刚的效果。聚丙烯树脂a的熔体流动速率也不宜过高，发明人研究发现，对于再生聚丙烯熔体流动速率过高会造成材料韧性裂化严重，而未经回收、再生的聚丙烯树脂新料并没有此影响。虽然本发明目的为制得高刚性轻量化的聚丙烯复合材料，但在实际应用中，仍普遍要求材料不宜过于硬脆，一般要求材料的悬臂梁缺口冲击强度≥3kj/m2。
22.聚丙烯树脂b为聚丙烯树脂新料，高熔体流动速率的聚丙烯树脂新料可以弥补再生聚丙烯材料所带来的力学性能劣化，使得制得的聚丙烯复合材料的力学性能达到使用要求。
23.优选地，所述聚丙烯树脂a的熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下为30～40g/10min。
24.优选地，所述聚丙烯树脂b的熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下为70～80g/10min。
25.优选地，所述聚丙烯树脂a和聚丙烯树脂b的质量比为(1.2～1.5)：1。
26.优选地，所述空心玻璃微珠的密度为0.15～0.6g/cm3。
27.更优选地，所述空心玻璃微珠的密度为0.2～0.5g/cm3。
28.空心玻璃微珠在本发明的聚丙烯复合材料中，起到增强刚性并保持低密度的作用。发明人研究发现，空心玻璃微珠在合适的密度下，聚丙烯复合材料才能兼具较好的刚性和密度。
29.空心玻璃微珠的密度过小时，虽然有助于聚丙烯复合材料的密度低，且空心玻璃微珠的分散性更好，但其能承受的应力较小，在挤出过程中易破裂，造成聚丙烯复合材料的刚性较低。空心玻璃微珠的密度过高时，虽然制得的聚丙烯复合材料的刚性较高，但密度也较高。
30.优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂和/或钛酸酯偶联剂。
31.可选地，所述硅烷偶联剂为环氧基硅烷偶联剂和/或氨基硅烷偶联剂。
32.更优选地，所述硅烷偶联剂为环氧基硅烷偶联剂。环氧基硅烷偶联剂有助于聚丙烯复合材料的刚性和韧性更优。
33.可选地，所述其他助剂可以为抗氧剂、光稳定剂或润滑剂中的一种或几种。
34.可选地，所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂、亚磷酸酯类抗氧剂或硫代酯类抗氧剂中的一种或几种。
35.可选地，所述光稳定剂为二苯甲酮类紫外线吸收剂、苯并三唑类紫外线吸收剂或受阻胺类光稳定剂中的一种或几种。
36.可选地，所述润滑剂为芥酸酰胺、油酸酰胺、ebs酰胺类、pe蜡或硬脂酸盐中的一种
或几种。
37.本发明还保护上述聚丙烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
38.将聚丙烯、空心玻璃微珠、偶联剂和其他助剂加至挤出机，经熔融混合、挤出造粒，得到所述聚丙烯复合材料。
39.优选地，所述聚丙烯、偶联剂和其他助剂混合后，通过挤出机的主喂料系统加至挤出机；所述空心玻璃微珠通过挤出机的侧喂料系统加至挤出机。
40.优选地，所述挤出机为双螺杆挤出机。
41.优选地，所述双螺杆挤出机的挤出温度为200～220℃，螺杆转速300～500r/min,螺杆长径比为36～48:1。
42.本发明还保护上述聚丙烯复合材料在制备汽车高刚性零部件中的应用。
43.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
44.本发明开发了一种高刚性、轻量化的聚丙烯复合材料。通过选择特定的聚丙烯树脂，结合空心玻璃微珠和偶联剂，利用各组分间的协同增效作用，制得的聚丙烯复合材料具有高刚性、低密度，弯曲强度≥30mpa，弯曲模量≥3000mpa，密度≤0.89g/cm3。
具体实施方式
45.下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
46.实施例及对比例中的原料均可通过市售得到，具体如下：
47.[0048][0049]
本发明中平行的实施例及对比例使用的抗氧剂、润滑剂和光稳定剂相同。
[0050]
除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
[0051]
实施例1～19
[0052]
实施例1～19分别提供一种聚丙烯复合材料，组分含量见表1，制备方法如下：
[0053]
按照表1将聚丙烯、偶联剂和其他助剂混合后，通过双螺杆挤出机的主喂料系统加至双螺杆挤出机；空心玻璃微珠通过双螺杆挤出机的侧喂料系统加至双螺杆挤出机；
[0054]
经熔融混合、挤出造粒，得到聚丙烯复合材料；其中双螺杆挤出机的挤出温度为200～220℃，螺杆转速300r/min，螺杆长径比为40:1。
[0055]
表1实施例1～19聚丙烯复合材料的组分含量(重量份)
[0056]
[0057][0058]
对比例1～7
[0059]
对比例1～7分别提供一种聚丙烯复合材料，组分含量见表2，制备方法如下：
[0060]
按照表2将聚丙烯、偶联剂和其他助剂混合后，通过双螺杆挤出机的主喂料系统加至双螺杆挤出机；空心玻璃微珠(或玻璃纤维、实心玻璃微珠)通过双螺杆挤出机的侧喂料系统加至双螺杆挤出机；
[0061]
经熔融混合、挤出造粒，得到聚丙烯复合材料；其中双螺杆挤出机的挤出温度为200～220℃，螺杆转速300r/min,螺杆长径比为40:1。
[0062]
表2对比例1～7聚丙烯复合材料的组分含量(重量份)
[0063][0064][0065]
性能测试
[0066]
对上述实施例及对比例制得的聚丙烯复合材料进行性能测试，具体方法如下：
[0067]
弯曲强度：按iso178-2019标准方法检测；
[0068]
弯曲模量：按iso178-2019标准方法检测；
[0069]
密度：按iso1183-2019标准方法检测；
[0070]
悬梁臂缺口冲击强度：按iso180-2019标准方法检测。
[0071]
实施例1～19的测试结果见表3，对比例1～7的测试结果见表4。
[0072]
表3实施例1～19的测试结果
[0073][0074]
根据表3的测试结果，本发明各实施例制得的聚丙烯复合材料均具有优异的力学性能，刚性高、韧性适宜，弯曲强度≥30mpa，弯曲模量≥3000mpa，悬梁臂缺口冲击强度≥3kj/m2；且密度较低，密度≤0.89g/cm3。
[0075]
由实施例1～4，其中实施例2、3的力学性能相对更优，因此，聚丙烯中聚丙烯树脂a和聚丙烯树脂b的质量比在(1～2)：1的范围内更优选为(1.2～1.5)：1。
[0076]
由实施例1、10～12，实施例10和实施例12制得的聚丙烯复合材料的弯曲强度和弯曲模量相对较低，即材料刚性相对较差，因此，聚丙烯树脂a的熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下优选为30～40g/10min。
[0077]
由实施例1、实施例13～14，聚丙烯树脂a的熔体流动速率在230℃、2.16kg条件下为70～80g/10min时，制得的聚丙烯复合材料的力学性能相对更优一些。
[0078]
根据实施例1、实施例15～17，可以看出，不同的空心玻璃微珠的密度影响聚丙烯复合材料的力学性能和密度。实施例16中，空心玻璃微珠的自身密度较低，在挤出过程中易破碎，制得的聚丙烯复合材料的密度并非最低，且刚性略差。实施例17中，空心玻璃微珠的自身密度较高，影响了聚丙烯复合材料的密度也相对较高。因此，空心玻璃微珠的密度优选为0.2～0.5g/cm3。
[0079]
根据实施例1、18和19，偶联剂为环氧基硅烷偶联剂时，制得的聚丙烯复合材料的刚性和韧性更优。
[0080]
表4对比例1～7的测试结果
[0081][0082]
对比例1中，聚丙烯树脂a的量过多，即再生聚丙烯的量过多，超出本发明技术方案范围，造成聚丙烯复合材料的刚性较差。
[0083]
对比例2中，空心玻璃微珠的量过少，对于刚性的改善有限。
[0084]
对比例3中，空心玻璃微珠替换为非空心的玻璃微珠，造成聚丙烯复合材料的密度过高。对比例4中空心玻璃微珠替换为玻璃纤维，制得的聚丙烯复合材料不仅密度过高，且材料刚性和韧性达不到本发明要求。
[0085]
对比例5中，聚丙烯树脂a的熔体流动速率过低，空心玻璃微珠在挤出过程中受到剪切应力而破损，制得的聚丙烯复合材料的密度较高，且刚性较差。对比例6中，聚丙烯树脂a为的熔体流动速率过高，熔体流动速率过高的再生聚丙烯材料造成聚丙烯复合材料的韧性劣化严重，悬梁臂缺口冲击强度仅为2kj/m2。
[0086]
对比例7中，未使用聚丙烯树脂b，即聚丙烯全部为聚丙烯树脂a，制得的聚丙烯复合材料的力学性能较差，特别是悬梁臂缺口冲击强度仅为2.2kj/m2。
[0087]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。