一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料及其制备方法，其由以下组分按重量份组成：聚丙烯88‑97.8份；纤维素2‑10份；相容剂0.2‑2份；超临界流体，为聚丙烯重量的1‑10%。本发明专利技术利用马来酸酐接枝聚丙烯作为相容剂来改善聚丙烯和纳米纤维素的界面，使复合材料具有高强度和高模量。同时，纳米纤维素一在聚丙烯中形成填料网络，增强聚丙烯的熔体强度；还可作为聚丙烯的晶体成核剂，提高聚丙烯的发泡能力。利用挤出共混的方法制备聚丙烯/纳米纤维素复合材料，其工艺简单，适合大批量工业化生产。

A nano cellulose reinforced polypropylene foaming material and its preparation method

The invention discloses a nano cellulose reinforced polypropylene foaming material and a preparation method. The foaming material consists of 88 97.8 parts of polypropylene, 2 10 parts of cellulose, 0.2 2 parts of compatibilizer and 1 10% of polypropylene weight in supercritical fluid. The invention uses maleic anhydride grafted polypropylene as compatibilizer to improve the interface between polypropylene and nano cellulose, so that the composite material has high strength and high modulus. At the same time, nanocellulose can form a filler network in polypropylene to enhance the melt strength of polypropylene, and can be used as nucleating agent of polypropylene crystal to improve the foaming ability of polypropylene. Polypropylene/nanocellulose composites were prepared by extrusion blending. The process is simple and suitable for mass industrial production.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料及其制备方法
本专利技术涉及一种聚丙烯材料及其制备方法，具体涉及一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料及其制备方法，属于高分子材料加工领域。
技术介绍
泡沫塑料是一种以聚合物为基体，内部含有大量气体的微孔材料，是一种特殊的固体/气体复合材料。与未发泡的塑料相比，泡沫塑料具有质轻、隔音、隔热、比强度高、高冲击强度和强吸收能力等特点，因此在包装业、汽车行业、运输业、日用品、军事工业、运动器材及建筑等得到广泛应用。目前，应用最广泛的泡沫塑料主要有发泡聚苯乙烯(PS)、发泡聚氨酯(PU)和发泡聚烯烃塑料三大类。聚苯乙烯发泡过程中一般用氟氯烃或丁烷作为发泡剂，影响环境，同时产品降解又导致“白色污染”。聚氨酯泡沫在制备过程中涉及到对人体有害的异氰酸酯，此外发泡聚氨酯为热固性聚合物，难以回收二次利用。聚烯烃泡沫中的聚乙烯发泡材料，强度低，耐温性差，难以用于对力学性能和温度有一定要求的场所。聚丙烯材料具有优良的机械性能、较高的耐热性、耐化学腐蚀、易于循环使用等特点。因而与发泡聚PS和PE相比，发泡聚丙烯具有很多的优点。首先，优良的力学性能：与PE相比，PP具有更高的刚性和弯曲模量，同时PP的抗冲击性能又优于PS。其次，高耐热性：发泡PE耐热温度范围为70-80℃，发泡PS也通常低于80℃，而发泡PP最高使用温度可达120℃，可以在高温下长期使用。此外，发泡PP还具有优良的吸收能量的能力、显著的隔热性、良好的耐应力开裂性和优良的耐化学腐蚀性。因而，PP发泡材料在汽车工业和食品包装等行业具有广泛的应用前景和巨大的竞争力，可以代替传统的发泡PS和PE。然而，由于普通聚丙烯的熔体强度低，发泡窗口窄，不适合直接用于发泡，一般在发泡前需要对聚丙烯进行增强改性。目前提高聚丙烯发泡能力的方法主要有如下三种：一是，改变聚丙烯分子链结构，形成支化或者交联聚丙烯，得到高熔体强度聚丙烯(HMSPP)。比如1994年BASELL公司研发成功了用直接聚合法合成HMSPP。但是该生产工艺复杂，该技术只掌握在少数几家公司中，同时HMSPP成本高且发泡过程中使用可燃的有机发泡剂，设备需要经过特殊的防爆处理，难以大范围推广。二是将聚丙烯和其他聚合物共混，利用不同聚合物的熔体特性来发泡。例如，CN101275002A公开了将聚丙烯和超高分子量聚乙烯共混，然后利用物理发泡剂发泡得到聚丙烯泡沫塑料。CN104292611B公开了一种利用聚丙烯与聚乙烯和聚丙烯的半结晶性聚合物共混来制备发泡材料的方法，该工艺常用间歇式发泡技术，得到良好的泡孔结构。CN105694233A公开了一种利用聚丙烯和α-烯烃低聚物共混来制备聚丙烯发泡材料的方法。但是由于不同聚合物组分之间的相容性差，所得发泡材料的泡孔均匀性和力学性能一般都较低，同时低分子量增溶剂的加入会降低产品强度。三是填料的加入能显著改善聚丙烯的发泡能力，同时还能提高发泡聚丙烯的力学性能，是一种有效的提高其发泡能力的方法。比如CN101538387B公开了一种利用聚丙烯和填料共混制备发泡材料的方法，所用填料主要是碳黑、石墨和氢氧化镁。CN105623098A公开了一种利用长玻璃纤维提高聚丙烯发泡能力的制备方法。但是，目前增强聚丙烯发泡能力所添加的填料基本上是无机填料。随着日益严重的环境污染问题，利用自然界中的可再生资源作为聚合物的填料，在最终废弃物处理和原材料的利用上都具有更好的环境效益。作为生物纤维中最重要的纤维素，具有天然可再生、来源广、分布广泛、非食品农业为主导、低密度、高强度，高反应活性，因而纤维素作为聚合物的增强相和填料有很好的应用前景。然而，由于纤维素表面是极性的，难以在非极性基体如聚丙烯中分布均匀，二者混合时在界面容易形成空隙和缺陷，而纤维素和聚丙烯基体间低的粘结力会导致所得复合材料力学性能差。为此，必须结合表面处理和合适的相容剂来制备性能优良的聚丙烯/纤维素复合材料，最终获得发泡性能优异的聚丙烯发泡材料。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术目的在于提供一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料及其制备方法，所得聚丙烯挤出发泡材料发泡倍率高、泡孔均匀、满足轻量化要求。本专利技术的技术方案：一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：其由以下组分按重量份组成：聚丙烯88-97.8份；纤维素2-10份；相容剂0.2-2份；超临界流体，为聚丙烯重量的1-10％。进一步方案，所选聚丙烯的数均分子量为20-50万；所选纤维素为纳米纤维素。进一步方案，所选相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；所述超临界流体为氮气、二氧化碳、空气、氩气的一种或一种以上混合的气体。优选的，所述氮气为聚丙烯重量的1-3％；二氧化碳为聚丙烯重量的4-10％。本专利技术的另一个专利技术目的是提供上述一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将含有纤维素的纸浆稀释，然后加入球磨机中进行处理，利用强机械力剥离得到纳米纤维素浆液；(2)将聚丙烯88-97.8份和相容剂剂0.2-2份通过双螺杆挤出机的加料口加入，再将含有纤维素2-10份的纳米纤维素浆液由挤出机的辅助进料口加入，熔融共混，同时通过挤出机料筒上的排气口排除水蒸气，然后经挤出、水下冷却、切粒得到聚丙烯/纳米纤维素复合材料；(3)将聚丙烯/纳米纤维素复合材料置于发泡系统中，待复合材料熔融后，将超临界流体由挤出机上的注气口通过计量泵输入螺杆内，得到单相聚合物/气体熔液；然后对其进行发泡，经冷却定型后得到聚丙烯发泡材料。进一步方案，步骤(1)中所述纸浆为漂白牛皮纸浆；所述纳米纤维浆液中纳米纤维素的质量含量为5-40％。进一步方案，步骤(1)中所述纸浆稀释是用蒸馏水稀释成质量浓度为2-7％的浆液，所述球磨机的温度为30-70℃，浆液的进料速度为700-1000ml/min。进一步方案，步骤(2)中所选相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；所述聚丙烯/纳米纤维素复合材料中纳米纤维素的质量含量为2-10％；双螺杆挤出机的螺杆温度为170-240℃，螺杆转速为100-200rpm。进一步方案，步骤(3)中发泡系统为双螺杆挤出机、单螺杆挤出机或二阶串联挤出机；所述的超临界流体为氮气或二氧化碳，其中氮气为聚丙烯重量的1-3％；二氧化碳为聚丙烯重量的4-10％。更优选的，所述二阶串联挤出机是由第一阶双螺杆挤出机和第二阶单螺杆挤出机串联而成，是将聚丙烯/纳米纤维素复合材料置于第一阶双螺杆挤出机中熔融，将超临界流体由挤出机上的注气口通过计量泵输入螺杆内，得到单相聚合物/气体熔液；然后将单相聚合物/气体熔液导入第二阶单螺杆挤出机中进行发泡，经冷却定型后得到聚丙烯发泡材料；所述第一阶双螺杆挤出机中熔融区温度为170-230℃、螺杆转速为15-25r/min；所述第二阶单螺杆挤出机中机头处温度为115-150℃、机头处压力为8-24MPa、螺杆转速为10-20r/min。本专利技术中发泡系统中的口模可以是平口模、圆形口模或环形口模，以制备满足不同需求的聚丙烯发泡材料。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用高机械力剥离的方式得到了纳米纤维素，可得到大批量的含有纳米纤维素的纸浆。(2)本专利技术利用马来酸酐接枝聚丙烯作为相容剂来改善聚丙烯和纳米纤维素的界面，该复合材料具有高强度和高模量。同时，利用挤出共混的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：其由以下组分按重量份组成：聚丙烯88‑97.8份；纤维素2‑10份；相容剂0.2‑2份；超临界流体，为聚丙烯重量的1‑10%。

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：其由以下组分按重量份组成：聚丙烯88-97.8份；纤维素2-10份；相容剂0.2-2份；超临界流体，为聚丙烯重量的1-10%。2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：所选聚丙烯的数均分子量为20-50万；所选纤维素为纳米纤维素。3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：所选相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯；所述超临界流体为氮气、二氧化碳、空气、氩气的一种或一种以上混合的气体。4.根据权利要求3所述的一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料，其特征在于：所述氮气为聚丙烯重量的1-3%；二氧化碳为聚丙烯重量的4-10%。5.一种纳米纤维素增强聚丙烯发泡材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将含有纤维素的纸浆稀释，然后加入球磨机中进行处理，利用强机械力剥离得到纳米纤维素浆液；（2）将聚丙烯88-97.8份和相容剂剂0.2-2份通过双螺杆挤出机的加料口加入，再将含有纤维素2-10份的纳米纤维素浆液由挤出机的辅助进料口加入，熔融共混，同时通过挤出机料筒上的排气口排除水蒸气，然后经挤出、水下冷却、切粒得到聚丙烯/纳米纤维素复合材料；（3）将聚丙烯/纳米纤维素复合材料置于发泡系统中，待复合材料熔融后，将超临界流体由挤出机上的注气口通过计量泵输入螺杆内，得到单相聚合物/气体熔液；然后对其进行发泡，经冷却定型后得到聚丙烯发泡材料。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪龙，汪彪，
申请(专利权)人：合肥华聚微科新材料有限责任公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34