具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料及其制备方法和应用。所述电绝缘热塑性复合材料包括内层材料和至少一层外层材料，所述内层材料为包括纤维束、第一热塑性树脂和第一助剂的芯层，所述至少一层外层材料包裹所述芯层并且为包括第二热塑性树脂和第二助剂的树脂层，其中，所述纤维束从所述芯层的一端连续延伸至其相对端，所述第一助剂和所述第二助剂各自独立地包括含有酸酐基团的聚丙烯接枝物，其包括衍生自共聚聚丙烯的结构单元、衍生自马来酸酐单体的结构单元和衍生自含烯基聚合单体的结构单元。本发明专利技术的电绝缘热塑性复合材料基于多组分材料体系设计，能够使得各组分之间达到性能协同的效果，同时具有优异的电绝缘性能。异的电绝缘性能。异的电绝缘性能。

【技术实现步骤摘要】
具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子复合材料领域，具体涉及一种具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]长纤维增强热塑性复合材料是一种常见的热塑性复合材料，其是当今复合材料市场中发展最快的材料之一。作为半结构材料和结构材料，长纤维增强热塑性复合材料的开发目标是工业和民用的各个领域，包括汽车、器械、娱乐、食品加工、通讯、电子电器、电动工具、园艺等领域。
[0003]长纤维增强热塑性材料的纤维长度等同于粒子长度，纤维取向高度一致，具备低密度、易成型、高比强度、模量高、耐疲劳性能好和不吸水等特性。此外，该材料具有良好的尺寸稳定性、优良的耐冲击性、化学稳定性(耐盐、耐油、耐燃料等)及可循环利用的优点。聚丙烯材料作为一种简单结构的高分子材料，具有较好的电气绝缘性能和较高的熔点，但纯聚丙烯的机械性能尤其是低温条件下较脆催，无法满足工作要求。长纤维聚丙烯材料在力学性能上有显著提高，电气绝缘性能还有调控和提升的空间。随着长纤维增强热塑性复合材料技术水平的不断提升和应用案例的不断扩展，除了要求材料要具备优异的机械性能、加工性能还要求有较好的电绝缘性能。目前大量文献和数据表明掺杂纳米颗粒进行改性是提升电气绝缘性能的一种有效途径。但在实际制备中会遇到纳米颗粒掺杂行为难以控制的困难，从而导致纳米颗粒易于团聚反而使得绝缘性能下降的问题，限制了其在实际工程中的广泛应用。
[0004]对于上述的问题，现有技术还远远满足不了实际应用的需求。
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技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料及其制备方法和应用，本专利技术的电绝缘热塑性复合材料基于多组分材料体系设计，能够使得各组分之间达到性能协同的效果，同时具有优异的电绝缘性能。进一步地，本专利技术的电绝缘热塑性复合材料还可以大大提高纤维在树脂熔体中的流动性，复合材料的表面性能得到了很大的提升，拓展了应用范围。
[0006]本专利技术第一方面提供了一种具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料，包括内层材料和至少一层外层材料，所述内层材料为包括纤维束、第一热塑性树脂和第一助剂的芯层，所述至少一层外层材料包裹所述芯层并且为包括第二热塑性树脂和第二助剂的树脂层，其中，所述纤维束从所述芯层的一端连续延伸至其相对端，所述第一助剂和所述第二助剂各自独立地包括含有酸酐基团的聚丙烯接枝物，其包括衍生自共聚聚丙烯的结构单元、衍生自马来酸酐单体的结构单元和衍生自含烯基聚合单体的结构单元。
[0007]本申请专利技术人发现，采用包括第一热塑性树脂和第一助剂的第一组分浸渍连续纤维束以形成芯层，并在芯层外侧均匀包覆包括第二热塑性树脂的第二组分，由此形成以连
续纤维增强树脂为芯层(内层材料)，以包裹在芯层外侧的树脂层为外层材料的电绝缘热塑性复合材料，这样的热塑性复合材料具有优异的电绝缘性能。另外，通过调节所述芯层中第一热塑性树脂和所述树脂层中第二热塑性树脂的性能和功能，可以使所述电绝缘热塑性复合材料具有不同的性能和功能。
[0008]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些实施方式，外层材料(树脂层)可以基本上连续包覆所述内层材料(芯层)。虽然不是优选的，但是本专利技术的电绝缘热塑性复合材料中，外层材料(树脂层)至少80％包覆所述内层材料(芯层)，例如，80
‑
99％，85
‑
95％包覆所述内层材料(芯层)。
[0009]本专利技术中，术语“一端”和/或“相对端”通常是相对于电绝缘热塑性复合材料的纵向而言的。
[0010]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些实施方式，所述电绝缘热塑性复合材料可以为条状、棒状或颗粒状。当然，本专利技术的电绝缘热塑性复合材料也可以是其他形状，例如连续丝状。本专利技术中，条状、棒状或颗粒状电绝缘热塑性复合材料可以由连续丝状电绝缘热塑性复合材料裁切而成。
[0011]在一些实施方式中，所述电绝缘热塑性复合材料为条状、棒状或颗粒状。条状、棒状或颗粒状电绝缘热塑性复合材料的长度(纵向尺寸)可以为5
‑
30mm，优选为5
‑
25mm，更优选为6
‑
15mm。
[0012]在另一些实施方式中，虽不是优选的，所述电绝缘热塑性复合材料也可以具有相对较小的长度尺寸。例如，所述电绝缘热塑性复合材料为颗粒状，颗粒状电绝缘热塑性复合材料的粒径(长度)还可以为2
‑
5mm，优选为3
‑
4mm。
[0013]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些实施方式，本专利技术对电绝缘热塑性复合材料的横截面形状没有特殊要求。在一些实施方式中，颗粒状或棒状电绝缘热塑性复合材料的横截面为圆形或类圆形。在另一些实施方式中，颗粒状或条状电绝缘热塑性复合材料的横截面可以为长方形或正方形。
[0014]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些实施方式，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量为1
‑
90重量份，所述纤维束的量为10
‑
110重量份。
[0015]在一些具体实施方式中，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量可以为1重量份、10重量份、20重量份、25重量份、30重量份、40重量份、45重量份、50重量份、55重量份、60重量份、70重量份、80重量份、90重量份或由其组成的范围；以及在一些具体实施方式中，所述纤维束的量可以为1重量份、10重量份、20重量份、25重量份、30重量份、40重量份、50重量份、60重量份、70重量份、80重量份、90重量份、100重量份、110重量份或由其组成的范围。
[0016]在一些优选实施方式中，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量可以为20
‑
70重量份，优选为20
‑
55重量份，更优选为24
‑
45重量份；和/或所述纤维束的量可以为20
‑
110重量份，更优选为25
‑
110重量份。
[0017]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些实施方式，在所述外层材料中，所述第二热塑性树脂的量为1
‑
110重量份。
[0018]在一些具体实施方式中，在所述外层材料中，所述第二热塑性树脂的量可以为1重量份、10重量份、20重量份、30重量份、40重量份、45重量份、50重量份、60重量份、65重量份、70重量份、75重量份、80重量份、85重量份、90重量份、95重量份、100重量份、105重量份、110
重量份或由其组成的范围。
[0019]在一些优选实施方式中，在所述外层材料中，所述第二热塑性树脂的量可以为10
‑
99重量份，更优选为10
‑
90重量份，优选为40
‑
90重量份。
[0020]根据本专利技术所述的电绝缘热塑性复合材料的一些具体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有芯层结构的电绝缘热塑性复合材料，包括内层材料和至少一层外层材料，所述内层材料为包括纤维束、第一热塑性树脂和第一助剂的芯层，所述至少一层外层材料包裹所述芯层并且为包括第二热塑性树脂和第二助剂的树脂层，其中，所述纤维束从所述芯层的一端连续延伸至其相对端，所述第一助剂和所述第二助剂各自独立地包括含有酸酐基团的聚丙烯接枝物，其包括衍生自共聚聚丙烯的结构单元、衍生自马来酸酐单体的结构单元和衍生自含烯基聚合单体的结构单元。2.根据权利要求1所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，所述电绝缘热塑性复合材料为条状、棒状或颗粒状，条状、棒状或颗粒状电绝缘热塑性复合材料的长度优选为5
‑
30mm，更优选为5
‑
25mm，进一步优选为6
‑
15mm。3.根据权利要求1或2所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量为1
‑
90重量份，优选为20
‑
70重量份，更优选为20
‑
55重量份，进一步优选为24
‑
45重量份；所述纤维束的量为10
‑
110重量份，优选为20
‑
110重量份，更优选为25
‑
110重量份；和/或，所述内层材料中，所述纤维束与所述第一热塑性树脂的重量比为0.25
‑
6:1，优选为0.35
‑
4.5:1，进一步优选为0.43
‑
4.5:1；和/或，在所述外层材料中，所述第二热塑性树脂的量为1
‑
110重量份，优选为10
‑
99重量份，优选为40
‑
90重量份；优选地，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量为1
‑
90重量份，优选为20
‑
70重量份，更优选为20
‑
55重量份，进一步优选为24
‑
45重量份；和/或所述纤维束的量为10
‑
99重量份，优选为20
‑
80重量份，更优选为25
‑
50重量份；或者，在所述内层材料中，所述第一热塑性树脂的量为50
‑
70重量份，进一步优选为50
‑
60重量份；和/或所述纤维束的量为90
‑
110重量份，优选为100
‑
110重量份；和/或在所述外层材料中，所述第二热塑性树脂的量为90
‑
110重量份，进一步优选为95
‑
105重量份。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，所述内层材料不含非取向的短纤维，优选地，所述内层材料由纤维束、第一热塑性树脂和第一助剂组成。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，所述外层材料不含纤维，优选地，所述外层材料由第二热塑性树脂和第二助剂组成；或者所述外层材料含有纤维，例如短纤维；优选地，在所述外层材料中，所述纤维与所述第二热塑性树脂的重量比为1
‑
50:100，优选为5
‑
50:100，更优选为20
‑
45:100。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，所述第一热塑性树脂和第二热塑性树脂相同或不同，各自独立地选自聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈
‑
丁二烯
‑
苯乙烯共聚物、聚丙烯腈
‑
苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯醚、聚氨酯、聚醚醚酮和聚苯硫醚以及它们的合金聚合物中的至少一种；优选地，所述第一热塑性树脂和第二热塑性树脂各自独立地选自聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚苯硫醚、聚氨酯和聚醚醚酮中的至少一种；更优选地，所述第一热塑性树脂和第二热塑性树脂各自独立地选自均聚聚丙烯、共聚聚丙烯、均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的混合物、尼龙6、尼龙66、尼龙6和尼龙66的混合物中的至少一种；和/或，
所述纤维束选自玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳香族聚酰胺纤维、不锈钢纤维、合成树脂纤维和矿物纤维中的至少一种。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，所述第一热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为60
‑
8000g/10min，优选为100
‑
8000g/10min，更优选为1000
‑
7500g/10min，进一步优选为1900
‑
7500g/10min；所述第二热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为0.1
‑
8000g/10min，优选为3
‑
55g/10min或450
‑
8000g/10min，进一步优选为3
‑
45g/10min或1900
‑
8000g/10min；优选地，所述第一热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为60
‑
450g/10min，例如，60
‑
200g/10min，所述第二热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为3
‑
55g/10min或450
‑
8000g/10min；更优选地，所述第一热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为60
‑
450g/10min，所述第二热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为800
‑
8000g/10min；或所述第一热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率在450g/10min以上，特别是大于450g/10min，所述第二热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率小于100g/10min，优选为1.5
‑
55g/10min，更优选为3
‑
50g/10min；和/或，所述第二热塑性树脂与所述第一热塑性树脂的重量比为0.05
‑
12.5:1，优选为0.1
‑
4:1，更优选为0.14
‑
3.5:1。8.根据权利要求7所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，当所述第二热塑性树脂在230℃和负载为2.16kg的条件下的熔体流动速率为800
‑
8000g/10min时，所述第二热塑性树脂与第一热塑性树脂的重量比小于0.25:1，优选小于0.18:1，更优选小于0.15:1；和/或，当所述第一热塑性树脂和所述第二热塑性树脂选自尼龙6、尼龙66、尼龙6和尼龙66的混合物中的至少一种时，所述尼龙6和尼龙66的粘度为1.8
‑
3.5。9.根据权利要求1
‑
8中任意一项所述的电绝缘热塑性复合材料，其特征在于，以含有酸酐基团的聚丙烯接枝物的重量为基准，所述含有酸酐基团的聚丙烯接枝物中衍生自马来酸酐单体和含烯基聚合单体且处于接枝态的结构单元的含量为0.1
‑
5重量％，优选为0.4
‑
3重量％；和/或所述含有酸酐基团的聚丙烯接枝物中衍生自马来酸酐单体的结构单元与衍生自含烯基聚合单体的结构单元的摩尔比为1：1
‑
20，优选为1：1
‑
10；优选地，所述共聚聚丙烯的共聚单体选自除丙烯外的C2‑
C8的α
‑
烯烃中的至少一种；更优选地，所述共聚聚丙烯的共聚单体选自乙烯、1
‑
丁烯、1
‑
戊烯、4
‑
甲基
‑1‑
戊烯、1
‑
己烯、1
‑
庚烯和1
‑
辛烯中的至少一种；进一步优选地，所述共聚聚丙烯的共聚单体为乙烯和/或1
‑
丁烯；进一步优选地，所述共聚聚丙烯由丙烯和乙烯组成；优选地，所述含烯基聚合单体选自具有式VII所示结构的单体中的至少一种，式VII中，R1、R2、R3各自独立地选自H、取代或未取代的烷基；R4选自取代或未取代的烷基、取代或未取代的烷氧基、取代或未取代的芳基、取代或未取代的酯基、取代或未取代的羧基、取代或未取代的环烷基或杂环基、氰基；
优选地，R1、R2、R3各自独立地选自H、取代或未取代的C1‑
C6烷基，更优选地，
R1
、R2、R3各自独立地选自H、取代或未取代的C1‑
C3烷基；优选地，R4选自取代或未取代的C1‑
C
20
烷基、取代或未取代的C1‑
C
20
烷氧基、取代或未取代的C6‑
C
20
芳基、取代或未取代的C1‑
C
20
酯基、取代或未取代的C1‑
C
20
羧基、取代或未取代的C3‑
C
20
环烷基或杂环基、氰基，所述取代的基团为卤素、羟基、氨基、C1‑
C6烷基、C3‑
C6环烷基；进一步优选地，R4选自取代或未取代的C1‑
C
12
烷基、取代或未取代的C1‑
C
18
烷氧基、取代或未取代的C6‑
C
12
芳基、取代或未取代的C1‑
C
12
酯基、取代或未取代的C1‑
C
12
羧基、取代或未取代的C3‑
C
12
环烷基或杂环基、氰基，所述取代的基团为卤素、C1‑
C6烷基、C3‑
C6环烷基；更优选地，R4选自取代或未取代的C1‑
C6烷基、取代或未取代的C1‑
C
12
烷氧基、取代或未取代的
C6
‑
C8芳基、取代或未取代的C1‑
C6酯基、取代或未取代的C1‑
C6羧基、取代或未取代的C3‑
C6环烷基或杂环基、氰基；优选地，所述杂环基选自咪唑基、吡唑基、咔唑基、吡咯烷酮基、吡啶基、哌啶基、己内酰胺基、吡嗪基、噻唑基、嘌呤基、吗啉基、噁唑啉基；优选地，所述的含有酸酐基团的聚丙烯接枝物，其中，R1、R2、R3各自独立地选自H、取代或未取代的C1‑
C6烷基；R4选自式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琦，李长金，康鹏，高达利，尹华，张师军，邵清，吕芸，解娜，邵静波，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司北京化工研究院，
类型：发明
国别省市：