[发明专利]一种可原位成片的极性聚合物/磷酸盐玻璃复合材料

说明书

本发明公开了一种可原位调控成片以提高聚合物阻隔性能和韧性的复合填料的制备方法及其形态的原位调控方法，其特点在于该复合填料在高温(＞232℃)下具有低粘度和高熔体强度的特性；通过在挤出成型加工过程中施加外界应力场，其在聚合物基体中的分散形态可实现由零维的球形或椭球形向三维的片状形态的演变，用于提高非极性聚合物的阻隔性能和韧性。本发明操作简单，可连续生产，控制方便，质量稳定，生产效率高，具有很好的工业化和市场前景，可广泛应用于制备高阻隔性和韧性的非极性聚合物基复合材料。

技术领域

本发明属于聚合物的高性能化和功能化技术领域，具体涉及一种可原位成片以提高聚合物阻隔性能和韧性的低粘度高熔体强度极性聚合物/磷酸盐玻璃复合材料。

背景技术

一般采用片状形态的无机材料如蒙脱土（CN1227287C、CN105885272A）或石墨烯（CN103897244B、CN104927302A）通过填充改性提高聚合物的阻隔性能和韧性。但是由于无机材料在混合过程中呈固态，其加入将显著增加体系的粘度，降低复合材料的加工性，增大对加工设备的磨损；而且无机材料与聚合物相容性较差，需通过无机材料的表面处理实现其在聚合物基体中的良好分散。

G.Kiss等人利用聚合物共混体系中分散相在加工过程中受到剪切、拉伸作用时发生变形和取向的特点提出了“原位成纤”的概念（G.Kiss, Polym Eng Sci, 1987,27:410），可用于增强基体相聚合物。专利（CN105398062A）通过在挤出成型加工过程中对聚合物增韧剂施加拉伸和压延作用，实现了聚合物增韧剂的分散形态由球状或椭球状向纤维状和片状的演变，显著提高了聚丙烯基体的韧性。

基于以上问题，开发一种在聚合物加工温度下呈液态，且具有较低粘度和较高熔体强度的复合材料，可通过调控其在聚合物基体中分散形态实现“原位成片”，从而提高聚合物阻隔性能和韧性，具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种由低玻璃化转变温度（Tg）的无机磷酸盐玻璃与极性聚合物熔融共混制备得到的极性聚合物/磷酸盐玻璃复合材料。本发明所制备的复合材料具有低熔点、低粘度、高阻隔、高强度、高熔体强度等性能特点，可通过在加工成型过程中对其施加压延压缩、拉伸作用实现其在非极性聚合物基体中分散形态由球形或椭球形向片状形态的演变，即“原位成片”，显著提高非极性聚合物材料的阻隔性能和韧性，从而实现非极性聚合物的高性能化和功能化。

本发明的技术思路和技术原理是：

磷酸盐玻璃（Pglass）是一种具有与聚合物相类似的网络结构的无机玻璃，以锡-氟-磷酸盐玻璃为例，其结构重复单元如图1所示，具有化学结构稳定、不易吸水、阻隔性能好、力学性能优异等特点，通过改变结构中金属阳离子的种类可调控其玻璃化转变温度（Tg），如铅-焦磷酸盐玻璃的Tg约为390℃，锌-碱磷酸盐玻璃的Tg为270℃-330℃，锡-氟-磷酸盐玻璃的Tg为80℃-150℃。由于锡-氟-磷酸盐玻璃在大多数聚合物的加工温度范围内呈液态，可实现与聚合物材料的熔融共混，不存在传统无机填料填充聚合物时的粘度和分散问题，而受到广泛关注（CN104140632A、CN102276979B、CN102643463B）。将温度升高至锡-氟-磷酸盐玻璃的Tg以上即可得到液态的磷酸盐玻璃，受到外界拉伸或剪切作用时，其形态将发生变化，如M. Gupta（Polymer,2009,50:598）等人在155℃下（锡-氟-磷酸盐玻璃的Tg为118℃）对PP-g-MAH/Pglass复合材料施加双向拉伸作用力，实现了锡-氟-磷酸盐玻璃的分散形态由球形向片状形态的演变，提高了PP-g-MAH/Pglass复合材料的阻隔性能。但是我们前期的研究工作发现，在温度低于232℃时，锡-氟-磷酸盐玻璃熔体的粘度随温度降低急剧增加，分散相粘度过大不利于其形态的调控；且磷酸盐玻璃的网络结构的尺寸较小，网络结构之间缠结较弱，在变形过程中易被拉断，因此，在155℃下双向拉伸得到的磷酸盐玻璃微片厚度方向尺寸较大且连续性较差。