高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法。首先，将改性无规共聚聚丙烯与β‑成核剂进行熔融共混得到母料；然后，将母料与改性无规共聚聚丙烯熔融共混得到β‑改性无规共聚聚丙烯基体；最后，将β‑改性无规共聚聚丙烯基体与经硅烷偶联处理过的长玻纤进行熔融共混后挤出成型得到增韧复合材料。本发明专利技术通过加入β‑成核剂，来诱导异质成核，令部分基体中的α‑相转变为β‑相；β‑相相对于α‑相晶体韧性更高。因此，本发明专利技术的高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料在冲击过程中具有更优异的吸能效果。本发明专利技术制备工艺简单，效率高，有效地提高了长玻纤增强复合材料的冲击韧性。

【技术实现步骤摘要】
高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法
本专利技术涉及热塑性复合材料
，特别涉及一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法。
技术介绍
长玻纤增强聚丙烯复合材料(LGF/PP)作为很有前景的轻质材料，备受关注。与传统金属材料相比，具有生产周期短，力学性能优异，耐酸碱性能好，能耗小的特点，广泛用于汽车车身，绝缘材料，电路板等领域。通常，LGF/PP复合材料中的基质是均聚丙烯。但均聚聚丙烯的韧性差、缺口冲击强度低，尤其是在低温或高应变速率下，因此极大地限制了聚丙烯应用的深化与拓展。为了提高复合材料的抗冲击性，共聚物聚丙烯已成为非常有前途的替代方法。但是，无论是均聚聚丙烯还是共聚聚丙烯，其结晶相仅含有α-相，因此存在高脆性的问题。另一方面，作为一种半结晶，聚丙烯可以形成各种晶体结构，例如单斜α-相，六方β-相和斜方γ-相。由于大分子结构和晶体状态的差异，具有不同晶相的聚丙烯具有不同的力学性能。α-晶体具有优异的刚性，但是韧性差。这是因为切向薄层和径向薄层形成交叉结构，从而产生互锁效果，使塑性变形非常困难。相比之下，β-晶体拥有更为松散的堆叠结构，并且具有三个等效的滑动面，这使得晶体更容易滑动到相对于晶体的位置，主剪切应力使塑料流动更容易并且具有更高的能量耗散。因此，β-晶的韧性高于α-晶相。单斜晶系α-晶体是热力学稳定相，并且在常见的加工条件下占主导地位。β-晶体是亚稳态的晶体，很难在一般条件下直接获得。目前已知几种增加β-晶体含量的方法，例如：在注射成型工艺中添加β-成核剂，在一定温度梯度下定向结晶，施加剪切力和高过冷度。为了获得高冲击力的长玻纤增强聚丙烯复合材料，常用的方法是在PP中添加各种偶联剂，增容剂或增强体，例如马来酸酐，硅烷，纳米蒙脱土等。可以看出，增韧LGF/PP的机理，更多地关注玻璃纤维和界面而不是基体性能。因此，仍然有必要通过增强基体来提高LGF/PP的韧性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法，其目的是为了提供一种简单而有效的方法来提高长玻纤增强聚丙烯复合材料的冲击韧性。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)母料制备：将β-成核剂与改性无规共聚聚丙烯按照质量比4.8:100～5.3:100进行熔融共混，得到母料；其中，所述改性无规共聚聚丙烯是由乙烯单体与丙烯单体气相混合形成无规共聚聚丙烯，再由无规共聚聚丙烯接枝马来酸酐而得；2)β-改性无规共聚聚丙烯基体制备：将步骤1)得到的母料与改性无规共聚聚丙烯进行熔融共混，β-成核剂通过异质成核作用令聚丙烯中的α-相转变为韧性更高的β-相，得到β-改性无规共聚聚丙烯基体；3)复合材料制备：将步骤2)得到的β-改性无规共聚聚丙烯基体与长玻纤进行熔融共混，通过挤出成型得到复合材料；其中，所述复合材料中β-成核剂的质量百分含量为0.025～0.15wt％。优选地，所述复合材料中β-成核剂的质量百分含量为0.025～0.05wt％。优选地，所述步骤1)中，乙烯单体与丙烯单体的质量比为8.6:100～10.1:100，所述无规共聚聚丙烯与马来酸酐的质量比为11.5:100～12.5:100。优选地，所述步骤1)中，β-成核剂选自芳香族类β-成核剂。优选地，芳香族类β-成核剂选自TMB系列化合物。优选地，所述无规共聚聚丙烯的熔体流动速率为100～110g/10min，摩尔质量为17.2×104g/mol，密度为0.91g/cm3。优选地，所述步骤2)中，β-改性无规共聚聚丙烯基体中β-成核剂的含量为0.025～0.4wt％。优选地，所述熔融共混在同向旋转双螺杆挤出机中进行；其中，挤出机的螺杆转速为110～130rpm。优选地，所述熔融共混温度为170～200℃，熔融共混时间为5～8min。优选地，所述步骤3)中，长玻纤经硅烷偶联处理，长玻纤直径为9.5～10.5μm。优选地，所述步骤3)中，β-改性无规共聚聚丙烯与长玻纤维质量比为48:50～52:50。优选地，所述步骤3)中，挤出成型温度为170～200℃。本专利技术还提供了一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料，所述复合材料由上述方法制备而成。本专利技术的上述方案有如下的有益效果：本专利技术通过向基体中添加β-成核剂能够诱发无规共聚聚丙烯由α-相向β-相的结构转变，并通过马来酸酐改性处理和玻璃纤维对应力的传导作用，获得冲击韧性极高的β-成核长玻纤增强改性无规共聚聚丙烯复合材料。另外，本专利技术还具有以下优点：1、本专利技术所用改性无规共聚聚丙烯、β-成核剂、长玻纤维是商业化产品，价格低廉。2、本专利技术β-成核剂的添加量极少，不会影响材料的加工性能，加工工艺难度小，易实现。3、本专利技术操作工艺简单，使用工业用常规双螺杆挤出机和注塑机来制备长玻纤增强聚丙烯复合材料，生产成本低，适用于大规模的工业化生产。4、在提高韧性的同时，没有导致拉伸强度的损失。附图说明图1为本专利技术的制备工艺流程图。图2为本专利技术实施例中复合材料的DSC结晶曲线图。图3为本专利技术实施例中复合材料的XRD衍射图谱。图4为本专利技术实施例中复合材料的静应力-应变曲线图。图5为本专利技术实施例中复合材料的拉伸应力、应变及模量图。图6为本专利技术实施例中复合材料的冲击图。图7为本专利技术实施例中复合材料冲击断裂失效机制分析的SEM图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例1如图1所示，本专利技术提供了一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料及其制备方法，包括以下步骤：1)母料制备：将β-成核剂与改性无规共聚聚丙烯按照5:100的质量比通过同向旋转双螺杆挤出机进行熔融共混，温度控制在170～200℃，螺杆转速为120rpm。所用改性无规共聚聚丙烯是马来酸酐与无规共聚聚丙烯按照质量比为12:100进行熔融接枝所得。无规共聚聚丙烯是用乙烯单体和丙烯单体以9.1:100的质量比进行气相混合得到。混合得到的无规聚丙烯长链中间无规地夹杂一些丙烯-乙烯链段，为橡胶态。均聚序列聚丙烯链段提供结晶相，而橡胶链段提供较高的韧性。2)β-改性无规共聚聚丙烯基体制备：将改性无规共聚聚丙烯与步骤1)得到的母料置于同向旋转双螺杆挤出机进行熔融共混，使β-成核剂含量为0.05wt％，温度控制在170～200℃，螺杆转速为120rpm，得到β-改性无规共聚聚丙烯基体。3)高韧性长玻纤增强聚丙烯复合材料制备将步骤2)得到的β-改性无规共聚聚丙烯基体与长玻纤维置于同向旋转双螺杆挤出机进行熔融共混，挤出成型得到高韧性长玻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)母料制备：/n将β-成核剂与改性无规共聚聚丙烯按照质量比4.8:100～5.3:100进行熔融共混，得到母料；/n其中，所述改性无规共聚聚丙烯是由乙烯单体与丙烯单体气相混合形成无规共聚聚丙烯，再由无规共聚聚丙烯接枝马来酸酐而得；/n2)β-改性无规共聚聚丙烯基体制备：/n将步骤1)得到的母料与改性无规共聚聚丙烯进行熔融共混，得到β-改性无规共聚聚丙烯基体；/n3)复合材料制备：/n将步骤2)得到的β-改性无规共聚聚丙烯基体与长玻纤进行熔融共混，通过挤出成型得到复合材料；/n其中，所述复合材料中β-成核剂的质量百分含量为0.025～0.15wt％。/n

【技术特征摘要】
1.一种高韧性长玻纤增强无规共聚聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)母料制备：
将β-成核剂与改性无规共聚聚丙烯按照质量比4.8:100～5.3:100进行熔融共混，得到母料；
其中，所述改性无规共聚聚丙烯是由乙烯单体与丙烯单体气相混合形成无规共聚聚丙烯，再由无规共聚聚丙烯接枝马来酸酐而得；
2)β-改性无规共聚聚丙烯基体制备：
将步骤1)得到的母料与改性无规共聚聚丙烯进行熔融共混，得到β-改性无规共聚聚丙烯基体；
3)复合材料制备：
将步骤2)得到的β-改性无规共聚聚丙烯基体与长玻纤进行熔融共混，通过挤出成型得到复合材料；
其中，所述复合材料中β-成核剂的质量百分含量为0.025～0.15wt％。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，乙烯单体与丙烯单体的质量比为8.6:100～10.1:100，马来酸酐与所述无规共聚聚丙烯的质量比为11.5:100～12.5:100。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，β-成核剂选自芳香族类β-成核剂，
优选地，芳香族类β-成核剂选自TMB系列化合物。


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【专利技术属性】
技术研发人员：杨旭静，方文俊，常江岩，尉志伟，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43