一种改善HDPE综合力学性能的复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种改善HDPE综合力学性能的复合材料及其制备方法，该复合材料主要由以下重量份数的组份组成：聚烯烃树脂混合物65～75份、活化半补强炭黑15～25份、偶联剂0.5～3份、抗氧剂0.2～0.5份、润滑剂3～6份和热稳定剂0.2～0.8份。制备方法为：先对UHMWPE/PPR进行合金化处理后在合金体系中引入经特殊处理的活化半补强炭黑粒子后经过密炼得到集优异的刚性、韧性、热稳定性于一身的多功能新型复合材料。本发明原料来源广，充分利用了废旧资源，不仅价格低廉、经济价值高，而且节能环保；以及其生产工艺简单、可行，易于推广生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料及制备方法，具体涉及了一种改善再生高密度聚乙烯(HDPE) 综合力学性能的新型复合材料及其制备方法，属于通用塑料工程化、功能化应用技术领域。

背景技术

废旧塑料的回收利用是一项节约能源、保护环境的措施，也是解决资源短缺的一个重大 战略问题。高密度聚乙烯由于具有耐酸碱，电绝缘性优良，硬度大，拉伸强度高，刚性好等 优点被广泛应用于市政工程、建筑工程、铁路等领域。回收再生高密度聚乙烯加工成颗粒后， 各种物理机械性能如拉伸强度、韧性、热稳定性等普遍下降，无法满足对力学性能要求苛刻 的制品等技术要求，因此开发一种能与废旧高密度聚乙烯相容性好、价格便宜，又能改善高 密度聚乙烯刚性和韧性及流动性的等综合性能的新型复合材料，提高废旧高密度聚乙烯的产 品附加值，增强市场竞争力，成为行业内一项急需解决的迫切课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以显著改善再生高密度聚乙烯(HDPE)的强度、韧性、流 动性及热稳定性等综合力学性能的复合材料及其制备方法；其主要原料来源广、生产成本低 廉、生产工艺简单、且节能环保，充分利用了废旧资源，提高废旧资源的产品附加值。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量份数的组份组成：聚烯烃树脂 混合物65～75份、活化半补强炭黑15～25份、偶联剂0.5～3份、抗氧剂0.2～0.5份、润 滑剂3～6份和热稳定剂0.2～0.8份。

作为本发明技术方案的进一步优化，该复合材料主要由以下重量份数的组份组成：聚烯 烃树脂混合物68～70份、活化半补强炭黑18～23份、偶联剂0.8～1.5份、抗氧剂0.2～0.5 份、润滑剂4～5份和热稳定剂0.4～0.6份。

作为本发明技术方案的进一步优化，该复合材料主要由以下重量份数的组份组成：聚烯 烃树脂混合物70份、活化半补强炭黑18份、偶联剂1.5份、抗氧剂0.3份、润滑剂5份和 热稳定剂0.5份。

作为本发明技术方案的进一步说明，以上所述的聚烯烃树脂混合物为超高分子量聚乙烯 UHMWPE和无规共聚聚丙烯PPR构成的UHMWPE/PPR合金共混体系。

本发明采用了UHMWPE/PPR合金共混体系，其合金化程度可以通过利用混炼技术和双螺 杆挤出技术来进行控制；其中超高分子量聚乙烯共混网络在材料中起到骨架作用，产生良好 的协同效应，受到外力冲击时，它会发生较大形变以吸收外界能量，起到增韧的作用。

作为本发明技术方案的进一步说明，以上所述的活化半补强炭黑采用经过以下活化处理 步骤的半补强炭黑，具体为：

首先，将8～14份半补强炭黑和0.3～0.4份白油混合研磨15～20min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.4～0.5份铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.3～0.4份微晶石蜡，继续搅拌直 至温度到100℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑。

在本发明中，采用了专门制备的半补强炭黑，本发明的半补强炭黑相比普通炭黑,其具有 良好的分散性和较高的纯度，经过试验表明可赋予UHMWPE/PPR合金共混体系高伸长率、低 生热、高弹性和良好的耐老化性能等，用于UHMWPE/PPR合金兼有补强与填充作用。

作为本发明技术方案的进一步说明，以上所述的偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、 铝酸酯偶联剂中的一种或两种以上按任意比例混合的组合物；

所述的抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂168、抗氧剂164、抗氧剂DNP、抗 氧剂DLTP中的两种或三种以上按任意比例混合的组合物；

所述的润滑剂为石蜡、白油、微晶石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸丁酯、油酰胺、乙 撑双硬脂酰胺中的两种或三种以上按任意比例混合的组合物；

所述的热稳定剂为硬脂酸锌、硬脂酸钙中的一种或两种按任意比例混合的组合物。

在本发明中，加入活化半补强炭黑目的主要是增加强度和硬度。加入偶联剂可以使活化 半补强炭黑表面由亲水性变成亲油性，使界面的粘接强度提高，从而达到与聚合物的紧密结 合，复合材料的整体性能提高。加入抗氧剂可以保证材料在加工使用过程中有良好的稳定性， 避免性能发生变化。加入润滑剂主要是改善聚烯烃塑料的流动性、提高炭黑的分散性，减少 在加工过程中内摩擦产生的热量和机械应力，提高塑料加工的生产效率。加入热稳定剂主要 是防止或减少UHMWPE和PPR在加工使用过程中受热而发生降解，延长复合材料使用寿命。

一种制备如前所述改善HDPE综合力学性能的复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50份超高分子量聚乙烯UHMWPE、15份无规共聚聚丙烯PPR、0.015～0.025份抗氧剂 168和0.015～0.025份抗氧剂1010、0.5份白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成 UHMWPE/PPR合金共混体系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将8～14份半补强炭黑和0.3～0.4份白油混合研磨15～20min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.4～0.5份铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.3～0.4份微晶石蜡，继续搅拌直 至温度到100℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将聚烯烃树脂混合物、偶联剂、活化半补强 炭黑、部分润滑剂投入密炼机中，并在165℃混炼6min；然后依次加入抗氧剂、热稳定剂、 剩余的润滑剂，并在130℃混炼10min后放入料池中，在室温下自然冷却后通过喂料系统投 入到双螺杆挤出机中，经挤出、冷却和切粒、干燥、包装，即得改善HDPE综合力学性能的复 合材料成品。

作为上述制备方法的进一步说明，在步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为： 一区温度150～160℃，二区温度170～180℃，三区温度180～190℃，四区温度175～185℃， 五区温度170～175℃，机头160～175℃，停留时间2～3min，压力为18～25MPa。

本发明的优点：

1.在超高分子量聚乙烯中引入无规共聚聚丙烯，然后通过密炼机的温度和搅拌速度控制 UHMWPE/PPR合金化程度，大大改善了超高分子量聚乙烯的冲击性能，强度。

2.在合金体系中引入经过特殊处理的活化半补强炭黑并实现了炭黑粒子在体系中均匀分 散，实现了半补强炭黑显著提高聚烯烃刚度模量、热变形温度及加工机械性能的良好效果， 且达到降低成本增效的目的。

3.在UHMWPE/PPR的混炼中加入润滑剂(如白油、微晶石蜡等)可以有效改善无机填料与 有机树脂相容性，提高复合材料的加工流动性和成型性。

4.本发明的原料来源广，充分利用了废旧资源，不仅价格低廉、经济价值高，而且节能 环保；以及其生产工艺简单、可行，易于推广生产。

具体实施方式

下面使用具体实施例对本发明进一步说明，但是本发明的保护范围不仅仅局限于以下实 施例。

实施例1：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量比例的组份制备而成：聚烯烃 树脂混合物65kg、活化半补强炭黑15kg、0.5kg硅烷偶联剂、0.1kg抗氧剂168、0.1kg抗 氧剂1010、0.8kg乙撑双硬脂酰胺、2.2kg聚乙烯蜡和0.2kg硬脂酸钙。

该复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50kg超高分子量聚乙烯UHMWPE、15kg无规共聚聚丙烯PPR、0.015kg抗氧剂168和 0.015kg抗氧剂1010、0.5kg白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成UHMWPE/PPR合 金共混体系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将8kg半补强炭黑和0.3kg白油混合研磨15min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.4kg铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.3kg微晶石蜡，继续搅拌直至温度到100 ℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将65kg聚烯烃树脂混合物、15kg活化半补 强炭黑、0.5kg硅烷偶联剂、0.8kg乙撑双硬脂酰胺投入密炼机中，并在135℃混炼6min；然 后依次加入0.1kg抗氧剂168、0.1kg抗氧剂1010、0.2kg硬脂酸钙、2.2kg聚乙烯蜡，并在 130℃混炼10min后放入料池中，在室温下自然冷却后通过喂料系统投入到双螺杆挤出机中， 经挤出、冷却和切粒、干燥、包装，即得改善HDPE综合力学性能的复合材料成品。

在上述步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为：一区温度150℃，二区温度170 ℃，三区温度180℃，四区温度175℃，五区温度170℃，机头160℃，停留时间3min，压 力为18MPa。

实施例2：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量比例的组份制备而成：聚烯烃 树脂混合物70kg、活化半补强炭黑18kg、1.5kg钛酸酯偶联剂、0.15kg抗氧剂168、0.1kg 抗氧剂1076、0.05kg抗氧剂164、1.2kg乙撑双硬脂酰胺、2.5kg聚乙烯蜡、0.8kg硬脂酸丁 酯、0.5kg油酰胺和0.5kg硬脂酸锌。

该复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50kg超高分子量聚乙烯UHMWPE、15kg无规共聚聚丙烯PPR、0.02kg抗氧剂168和0.02kg 抗氧剂1010、0.5kg白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成UHMWPE/PPR合金共混体 系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将10kg半补强炭黑和0.35kg白油混合研磨18min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.45kg铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.35kg微晶石蜡，继续搅拌直至温度到 100℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将70kg聚烯烃树脂混合物、18kg活化半补 强炭黑、1.5kg钛酸酯偶联剂、1.2kg乙撑双硬脂酰胺投入密炼机中，并在135℃混炼6min； 然后依次加入0.15kg抗氧剂168、0.1kg抗氧剂1076、0.05kg抗氧剂164、0.5kg硬脂酸锌、 2.5kg聚乙烯蜡、0.8kg硬脂酸丁酯、0.5kg油酰胺，并在130℃混炼10min后放入料池中， 在室温下自然冷却后通过喂料系统投入到双螺杆挤出机中，经挤出、冷却和切粒、干燥、包 装，即得改善HDPE综合力学性能的复合材料成品。

在上述步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为：一区温度155℃，二区温度175 ℃，三区温度185℃，四区温度180℃，五区温度172℃，机头170℃，停留时间2.5min， 压力为20MPa。

实施例3：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量比例的组份制备而成：聚烯烃 树脂混合物75kg、活化半补强炭黑25kg、2kg钛酸酯偶联剂、1kg铝酸酯偶联剂、0.25kg 抗氧剂168、0.25kg抗氧剂1076、1.5kg乙撑双硬脂酰胺、4kg微晶石蜡、0.5kg硬脂酸和0.5kg 硬脂酸钙。

该复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50kg超高分子量聚乙烯UHMWPE、15kg无规共聚聚丙烯PPR、0.025kg抗氧剂168和 0.025kg抗氧剂1010、0.5kg白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成UHMWPE/PPR合 金共混体系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将14kg半补强炭黑和0.4kg白油混合研磨20min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.5kg铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.4kg微晶石蜡，继续搅拌直至温度到100 ℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将75kg聚烯烃树脂混合物、25kg活化半补 强炭黑、2kg钛酸酯偶联剂、1kg铝酸酯偶联剂、1.5kg乙撑双硬脂酰胺投入密炼机中，并在 135℃混炼6min；然后依次加入0.25kg抗氧剂168、0.25kg抗氧剂1076、0.8kg硬脂酸钙、 4kg微晶石蜡、0.5kg硬脂酸，并在130℃混炼10min后放入料池中，在室温下自然冷却后通 过喂料系统投入到双螺杆挤出机中，经挤出、冷却和切粒、干燥、包装，即得改善HDPE综合 力学性能的复合材料成品。

在上述步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为：一区温度160℃，二区温度180 ℃，三区温度190℃，四区温度185℃，五区温度175℃，机头175℃，停留时间2min，压力 为25MPa。

实施例4：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量比例的组份制备而成：聚烯烃 树脂混合物68kg、活化半补强炭黑18kg、0.8kg钛酸酯偶联剂、0.05kg抗氧剂DNP、0.05kg 抗氧剂DLTP、0.1kg抗氧剂1010、1.5kg乙撑双硬脂酰胺、2.5kg聚乙烯蜡和0.4kg硬脂酸 锌。

该复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50kg超高分子量聚乙烯UHMWPE、15kg无规共聚聚丙烯PPR、0.025kg抗氧剂168和 0.025kg抗氧剂1010、0.5kg白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成UHMWPE/PPR合 金共混体系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将12kg半补强炭黑和0.4kg白油混合研磨15min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.4kg铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.35kg微晶石蜡，继续搅拌直至温度到 100℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将68kg聚烯烃树脂混合物、18kg活化半补 强炭黑、0.8kg钛酸酯偶联剂、1.5kg乙撑双硬脂酰胺投入密炼机中，并在135℃混炼6min； 然后依次加入0.05kg抗氧剂DNP、0.05kg抗氧剂DLTP、0.1kg抗氧剂1010、0.4kg硬脂酸锌、 2.5kg聚乙烯蜡，并在130℃混炼10min后放入料池中，在室温下自然冷却后通过喂料系统投 入到双螺杆挤出机中，经挤出、冷却和切粒、干燥、包装，即得改善HDPE综合力学性能的复 合材料成品。

在上述步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为：一区温度150℃，二区温度170 ℃，三区温度190℃，四区温度185℃，五区温度170℃，机头160℃，停留时间2.5min，压 力为23MPa。

实施例5：

一种改善HDPE综合力学性能的复合材料，主要由以下重量比例的组份制备而成：聚烯烃 树脂混合物70kg、活化半补强炭黑23kg、1.5kg铝酸酯偶联剂、0.25kg抗氧剂168、0.25kg 抗氧剂1010、2kg油酰胺、3kg聚乙烯蜡和0.6kg硬脂酸钙。

该复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)聚烯烃树脂混合物的制备

将50kg超高分子量聚乙烯UHMWPE、15kg无规共聚聚丙烯PPR、0.025kg抗氧剂168和 0.025kg抗氧剂1010、0.5kg白油投入密炼机中，并在165℃混炼6min，形成UHMWPE/PPR合 金共混体系后放入料池中，自然冷却后，即得所需的聚烯烃树脂混合物；

(2)活化半补强炭黑的制备

首先，将12kg半补强炭黑和0.4kg白油混合研磨15min；

然后，将研磨好的混合物投入小高混机中，并在90℃高速搅拌，使温度上升至95℃后， 加入0.4kg铝酸酯偶联剂，继续搅拌5min，再加入0.35kg微晶石蜡，继续搅拌直至温度到 100℃后放入料池中，自然冷却，即得到活化半补强炭黑；

(3)按照相应的重量份数称取各组份，首先将70kg聚烯烃树脂混合物、23kg活化半补 强炭黑、1.5kg铝酸酯偶联剂、2kg油酰胺投入密炼机中，并在135℃混炼6min；然后依次加 入0.25kg抗氧剂168、0.25kg抗氧剂1010、0.6kg硬脂酸钙、3kg聚乙烯蜡，并在130℃混 炼10min后放入料池中，在室温下自然冷却后通过喂料系统投入到双螺杆挤出机中，经挤出、 冷却和切粒、干燥、包装，即得改善HDPE综合力学性能的复合材料成品。

在上述步骤(3)中，所述的双螺杆挤出机的工作参数为：一区温度160℃，二区温度170 ℃，三区温度180℃，四区温度185℃，五区温度175℃，机头160℃，停留时间3min，压力 为20MPa。

上述实施例制备的复合材料的性能表：