[发明专利]一种高韧性高刚性的聚丙烯纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高韧性高刚性的聚丙烯纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

聚丙烯是通用塑料中用量增长最快的一种，我国目前每年的用量接近一千万吨，它具有质轻、价廉、良好的机械力学性能、热稳定性好、耐溶剂等优点，广泛应用于汽车、家电、包装等工业领域，在很多情形下聚丙烯的共混物和复合材料用来代替更加昂贵的工程塑料。但与尼龙和聚酯等工程塑料相比，聚丙烯的刚性不足。高等规度(＞95％)的均聚聚丙烯的弯曲模量在1400MPa左右，而尼龙6和尼龙66的弯曲模量在2500MPa以上。同时均聚聚丙烯在有缺口存在时表现出相当大的脆性，尤其是在低温时，这与聚碳酸酯和ABS相比是一个很大的缺陷。通过丙烯与乙烯或其它烯烃的共聚以及均聚聚丙烯与弹性体的共混是增加聚丙烯韧性的常用方法，但这会进一步降低聚丙烯的刚性，例如共聚聚丙烯的弯曲模量下降到接近800MPa。除了与其它工程塑料的共混外，工业上增加聚丙烯刚性的方法是添加无机粉体，例如滑石、云母和硅灰石，但这会降低材料的韧性，同时使密度增加。总之，对于聚丙烯而言，经常需要平衡刚性和韧性，兼具高刚性和高韧性的聚丙烯材料对扩展聚丙烯的使用范围有重要的意义。

与丙烯的共聚相比，在得到所需特定韧性的材料上，聚丙烯与弹性体的共混具有更大的灵活性而应用广泛，例如中国发明专利ZL97111916公开了聚烯烃热塑性弹性体(POE)增韧的聚丙烯材料。但当均聚聚丙烯与弹性体共混时，由于两者间的相互作用很弱，为了得到较高的冲击强度，往往需要大量的弹性体(例如20％以上)，这使材料的刚性大幅下降，同时由于弹性体较高的价格而增加了成本。反应挤出被认为是改善聚丙烯与弹性体之间相容性的有效途径，即通过过氧化物引发的自由基反应增强界面的作用力，但事实上并不总是成功，因为弹性体分散相的粒径很大，界面两侧的分子链所占总的分子链的体积分数很小，自由基反应更多的发生在基体相和分散相的内部，对聚丙烯而言这会造成相当程度的降解而使性能劣化。当以聚烯烃弹性体为主相，聚丙烯为分散相时，反应挤出经常被称为动态硫化。多功能团的丙烯酸酯单体可以用于抑制聚丙烯自由基反应过程中的降解，如中国发明专利公开号CN101434681中所示。近来Charles L Beatty等发现(Polymer Engineeringand Science，2008，p2098)，当多官能团的丙烯酸酯与苯乙烯一起用于聚丙烯与乙烯弹性体的反应挤出时，所得共混物的缺口冲击强度数倍于二者的机械共混物，尤其是当乙烯弹性体的用量在15％以下时，同时刚性也要更高。这种方法的缺陷在于要添加大量(＞2％)的苯乙烯，而苯乙烯的毒性和挥发性使其难以在工业的反应挤出中被接受。

以纳米尺度分散于聚丙烯基体的层状硅酸盐(如蒙脱土)可以显著改善聚丙烯的刚性和耐热性，只是对材料的韧性并不一定有利，经常观察到缺口冲击强度或多或少的下降。这是由于片层及其聚集体比球形粒子更易于引起应力的集中。但对于添加纳米蒙脱土的弹性体增韧的聚丙烯体系，蒙脱土的存在可以使韧性增加，例如Paul等人(Polymer，vol.46，2005，p11673)观察到，当乙烯弹性体的含量达到30％时，蒙脱土的引入使冲击强度增加50％以上，这是由于分散性粒子的形态受蒙脱土的影响而改变。不过，以这种方法制备聚丙烯/粘土纳米复合材料时所需要的较低分子量的相容剂对材料的性能是有损害的。傅强等(Polymer，vol.47，6-11，2006)在研究PPS/PA66/蒙脱土体系时也发现了这种影响。

发明内容

本发明在借鉴上述方法优点的基础上，克服其局限，以反应挤出的方法得到了一种兼有高韧性和高刚性的聚丙烯纳米复合材料。本发明目的的实现，其特征在于先将聚丙烯、有机过氧化物引发剂、多官能团丙烯酸酯单体、弹性体、共插层有机化层状硅酸盐预先混合，再将混合物一起喂入螺杆挤出机中，在控制的温度、转速及喂料速率条件下，进行熔融挤出并造粒，制备成高韧性高刚性的聚丙烯纳米复合材料。