含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料及其制备方法

摘要

本发明涉及含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料及制备方法，成分为：聚丙烯49wt%～71wt%，玻璃纤维20wt%～35wt%，钛酸钾晶须3wt%～5wt%，相容剂5wt%～10wt%，偶联剂0.3wt%～0.5wt%，成核剂0.1wt～0.2wt%，润滑剂0.1wt%～0.2wt%，抗氧剂0.2wt%～0.4wt%。采用钛酸钾晶须和玻璃纤维复合增强聚丙烯，利用钛酸钾晶须的特性，在提高复合材料物、力学性能的同时，提高了复合材料的加工性能和表面光洁度。此外，通过添加相容剂和成核剂提高了基体与填料间的结合力及高温尺寸稳定性。通过以上手段，制备的聚丙烯复合材料具有力学性能高、加工性能好，尺寸稳定性好、表面光洁度高等优点，具有很好的市场应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

聚丙烯（PP）由于具有良好的机械性能、无毒、相对密度低、耐热、耐化学药品、价格低廉、易成型加工、可回收利用等优点，获得了广泛的应用。但是，聚丙烯低温脆性差、不耐磨、易老化、成型收缩率大、耐冲击性能差，从而限制了其应用范围。

玻璃纤维复合增强聚丙烯是提高聚丙烯材料综合物理性能最有效最普及的方法，但由于玻璃纤维粗大，其与树脂相容性不好，在树脂中分布不均匀，制品表面的平滑性、美观性差，且存在加工时流动性差，对模具磨损严重，在复杂模具中难以分布均匀，易产生机械强度差的贫纤维区，不能用于注射成型加工各种精密部件。

钛酸钾晶须是一种新型的高性能的增强材料，其几何尺寸细小，长径比比较大，内含缺陷较少，强度很高，具有优良的力学性能和物理性能。用作填充材料时．钛酸钾晶须不但能起增强作用，而且对基体材料的工艺性影响较小，从而实现显微增强，使所得制品的各向同性、表面质量高，能提高材料的耐蠕变性、低摩耗性、耐热性和尺寸稳定性等，可用于制作各种形状复杂的精密零部件。

发明内容

本发明的目的是提供一种含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料，其成分的质量百分含量为：聚丙烯49wt%～71wt%，玻璃纤维20wt%～35wt%，钛酸钾晶须3wt%～5wt%，相容剂5wt%～10wt%，偶联剂0.3wt%～0.5wt%，成核剂0.1wt～0.2wt%，润滑剂0.1wt%～0.2wt%，抗氧剂0.2wt%～0.4wt%。

进一步地，上述的含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料，所述聚丙烯为均聚型聚丙烯、共聚型聚丙烯中一种或两种；所述玻璃纤维为无碱玻纤；所述钛酸钾晶须为六钛酸钾晶须，直径0.1um～1.0um，长度1.0um～100um，比表面积4m²/g；所述相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐共聚物，其马来酸酐的接枝率为1%，熔体流动速率大于80g/10min；所述偶联剂为硅烷偶联剂KH550乙醇溶液，其中KH550的含量为15wt%～30wt%；所述成核剂为超级成核剂HPN-68L；所述润滑剂为硬脂酸锌或乙撑双硬脂酰胺；所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168的复配剂，抗氧剂1010与抗氧剂168的复配比为1:2。

更进一步地，上述的含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料，其组分为：聚丙烯49wt%，玻璃纤维35wt%，钛酸钾晶须5wt%，相容剂10wt%，偶联剂0.5wt%，成核剂0.1wt%，润滑剂0.2wt%，抗氧剂0.2wt%。

本发明含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1）钛酸钾晶须表面处理：将钛酸钾晶须加入搅拌机中，按配比加入偶联剂乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到处理好的钛酸钾晶须，搅拌机温度控制在90℃～120℃；

2）原料混合：将聚丙烯、相容剂、成核剂、润滑剂和抗氧剂加入搅拌机中混合3min～5min，得到均匀混合物；

 3）在双螺杆挤出机内混炼：将步骤（2）得到的混合物加入双螺杆挤出机内混炼，在挤出过程中加入玻璃纤维，钛酸钾晶须从靠近机头位置的侧向喂料口加入，双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1；

 4）物料挤出后切粒，即得到所述含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。

再进一步地，上述的含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的制备方法，首先，将5份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.5份硅烷偶联剂KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将49份聚丙烯、10份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.2份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入35份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料；双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明采用钛酸钾晶须作为补充增强材料，对其用偶联剂进行了表面改性，提高了其分散性和基体的相容性；

②采用侧向喂料添加玻璃纤维和钛酸钾晶须，简化了加工工艺，同时减少了钛酸钾晶须在挤出机中的停留时间，使钛酸钾晶须的长径比得以保持；

③采用聚丙烯接枝马来酸酐共聚物作为增容剂，提高玻璃纤维、钛酸钾晶须与基体树脂的相容性，使填料的增强作用充分发挥；

④添加成核剂，有利于完善聚丙烯的结晶结构，减少聚丙烯链段的重排，增加制品在高温时的尺寸稳定性；

⑤采用钛酸钾晶须和玻璃纤维复合增强聚丙烯，提高了聚丙烯材料的力学性能，同时提高了加工性能、尺寸稳定性和表面光洁度。

具体实施方式

一种含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料，其成分为：聚丙烯49%～71%，玻璃纤维20t%～35%，钛酸钾晶须3%～5%，相容剂5%～10%，偶联剂0.3%～0.5%，成核剂0.1wt～0.2%，润滑剂0.1%～0.2%，抗氧剂0.2%～0.4%。优选配方为：聚丙烯：49wt%，玻璃纤维：35wt%，钛酸钾晶须：5wt%，相容剂：10wt%，偶联剂0.5wt%，成核剂：0.1wt%，润滑剂：0.2wt%，抗氧剂：0.2wt%。其中，聚丙烯为均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯中一种或一种以上；玻璃纤维为无碱玻纤；钛酸钾晶须为六钛酸钾晶须，直径0.1um～1.0um，长度1.0um～100um，比表面积4m²/g；相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐共聚物，其中马来酸酐接枝率为1%，熔体流动速率大于80g/10min；偶联剂为硅烷偶联剂KH550乙醇溶液，其中KH550的含量为15wt%～30wt%；成核剂为超级成核剂HPN-68L；润滑剂为硬脂酸锌或乙撑双硬脂酰胺；所述的抗氧剂为抗氧剂1010与抗氧剂168的复配物（抗氧剂1010与抗氧剂168的复配比为1:2）。

具体的制备过程为： (1)钛酸钾晶须表面处理：将钛酸钾晶须加入搅拌机中，按配比加入KH550偶联剂乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到处理好的钛酸钾晶须，搅拌机温度控制在90℃～120℃； (2)原料混合：将除玻璃纤维和钛酸钾晶须的其它原料加入高搅机中混合3min～5min，得到均匀混合物； (3)在双螺杆挤出机内混炼：将步骤（2）得到的混合物加入双螺杆挤出机内混炼，在挤出过程中加入玻璃纤维，钛酸钾晶须从靠近机头位置的侧向喂料口加入。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1； (4)物料挤出后切粒，即得到所述含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。材料具有力学性能高、加工性能好、尺寸稳定性好、表面光洁度高等特点。

钛酸钾晶须几何尺寸细小．长径比比较大，内含缺陷较少，强度很高，具有优良的力学性能和物理性能。作填充材料时，钛酸钾晶须不但能起增强作用，而且对基体材料的工艺性影响较小，从而实现显微增强，使所得制品的各向同性、表面质量高，提高材料的耐蠕变性，低摩耗性，耐热性和尺寸稳定性等。

实施例1：

将5份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.5份KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将49份聚丙烯、10份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.2份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入35份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

对比例1：

将54.5份聚丙烯、10份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.2份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入35份玻璃纤维，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

实施例2：

将4份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.4份KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将57份聚丙烯、8份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.3份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入30份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

对比例2：

将59.5份聚丙烯、10份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.2份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入30份玻璃纤维，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

实施例3：

将3份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.3份KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将71份聚丙烯、5份相容剂、0.2份成核剂、0.1份润滑剂和0.4份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入20份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

对比例3：

将74.3份聚丙烯、5份相容剂、0.2份成核剂、0.1份润滑剂和0.4份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入20份玻璃纤维，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

实施例4：

将3份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.3份KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将56份聚丙烯、10份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.4份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入30份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

实施例5：

将4份钛酸钾晶须加入搅拌机搅拌预热，搅拌机温度控制在90℃～120℃之间，然后加入0.4份KH550乙醇溶液低速搅拌20min～30min，得到表面处理好的钛酸钾晶须；将67份聚丙烯、8份相容剂、0.1份成核剂、0.2份润滑剂和0.3份抗氧剂加入高搅机中搅拌3min～5min，得到均匀混合物；混合物经双螺杆挤出机混炼，挤出过程中侧向加入20份玻璃纤维和处理好的钛酸钾晶须，最后切粒得到含钛酸钾晶须和玻璃纤维的聚丙烯复合材料的粒料。双螺杆挤出机的温度设定在170～220℃ 之间，混合物在双螺杆挤出机中的总停留时间为3～8min，双螺杆挤出机转速在200～250r.min^-1。

将以上实施例所得产品干燥后注塑成标准样条，按国家标准测试其性能，结果如表1所示。

表1 实施例、对比例测试结果

由上表可知，在改善材料力学性能的同时，添加钛酸钾晶须能显著提高复合材料的熔融流动指数、收缩率和表面光洁度。

综上所述，本发明采用钛酸钾晶须作为补充增强填料，对其用偶联剂进行了表面改性，提高了其分散性和基体的相容性。采用侧向喂料添加玻璃纤维和钛酸钾晶须，简化了加工工艺，同时减少了钛酸钾晶须在挤出机中的停留时间，使钛酸钾晶须的长径比得以保持。采用聚丙烯接枝马来酸酐共聚物作为增容剂，提高玻璃纤维、钛酸钾晶须与基体树脂的相容性，使填料的增强作用充分发挥。添加成核剂，有利于完善聚丙烯的结晶结构，减少聚丙烯链段的重排，增加制品在高温时的尺寸稳定性。本发明通过钛酸钾晶须和玻璃纤维复合增强聚丙烯，提高了聚丙烯材料的力学性能，同时提高了加工性能、尺寸稳定性和表面光洁度，制备的改性聚丙烯材料具有很好的应用前景。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。