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CN104448563A - 一种碳纤维增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法 - Google Patents

一种碳纤维增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微发泡聚丙烯材料及其制备方法，尤其是一种碳纤维增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。本发明的原料由以下重量份的组分组成：聚丙烯40-70份，无机粉体0-40份，碳纤维5-40份，相容剂1-8份，发泡母粒1-5份，抗氧剂0.5-2份。其有益效果是：采用具有质轻、高强、高模、高耐热特征的碳纤维增强技术与微孔发泡技术相结合，在保证材料轻量化的同时，显著提高了材料的抗弯、抗拉强度、模量和耐热性能，获得了一种具有轻量化特征的高性能聚丙烯微发泡材料。产品可应用到汽车结构制件，如前端支架、座椅、冷却风扇、换挡器底座、翼子板、车轮罩护板等，实现汽车结构制件用材料轻量化；也可用于其它领域，比如建筑、电子、造船等。

Description

一种碳纤维增强聚丙烯微发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚丙烯微发泡复合材料及其制备方法，尤其是一种碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料及其制备方法，属于高分子材料技术领域。
背景技术
能源日渐枯竭，环境污染越来越严重，加速了汽车工业的变革。汽车质量每减轻10％，油耗下降6％～8％，排放量下降4％。同时汽车轻量化直接提高汽车的比功率，使汽车的动力性能提高。因此，轻量化成为汽车工业发展的必然趋势。其中，汽车材料轻量化是实现整车轻量化的有效途径。微发泡技术是一种能够制备具有独有的致密表层和发泡芯层结构材料的技术。将其引入汽车材料的制备技术中，在保证材料基本性能的前提下，显著减轻制件重量，有利于实现汽车轻量化。其中，具有轻量化特征的聚丙烯微发泡材料替代实心材料，在性能满足的情况下，零部件减重10％以上。已在部分汽车部件，如仪表板、座椅、后备箱盖板等部件得到应用，市场前景广阔。
然而，对于汽车结构部件，比如，车门内板模块、前端支架、冷却风扇、换挡器底座、发动机周边部件等，目前的聚丙烯微发泡材料在强度和刚性上还无法满足使用要求。因此，为了在满足汽车部件轻量化的前提下达到上述零部件性能要求，拓展其在汽车部件中的应用范围，大幅改进聚丙烯微发泡材料的强度和刚性成为关键。专利CN102675734A公开了一种玻纤增强聚丙烯微发泡材料的制备方法，将超临界流体注入注塑机螺杆均化段熔融的玻纤增强聚丙烯材料中，然后通过注塑成型，得到玻纤增强聚丙烯微发泡材料；尽管聚丙烯微发泡材料强度和刚性获得提升，然而，仍然无法满足在汽车结构制件应用的性能要求，难以实现聚丙烯微发泡材料在这些结构件上的应用推广。
发明内容
本发明基于碳纤维轻质、高强、高模、高耐热特性，采用碳纤维增强与微孔发泡相结合技术，确保聚丙烯微发泡材料轻量化优势前提下，大幅提高其抗拉、抗弯强度、模量和耐热性能，使其可应用于汽车结构部件。本专利获得了具有轻量化特征的高性能聚丙烯微发泡材料，并提供该材料的制备方法。工艺简单，生产效率高、易于实现工业化。
本发明通过以下技术方案解决技术问题：一种碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料，按重量份数，称取聚丙烯40-70份、无机粉体0-40份、抗氧剂0.2-2份、相容剂1-8份。
将以上组分按照比例加入到高速混合机中，混合4-6min，获得均匀的混合物；其中，聚丙烯基料熔融指数为5-60g/10min，优选10-40g/10min的聚丙烯；无机矿物粉体为碳酸钙和滑石粉中的一种，优选滑石粉；主抗氧剂选自受阻酚类和硫酯类抗氧剂中的一种或几种，优选1010，辅抗氧剂选自亚磷酸盐类和亚磷酸酯类抗氧剂中的一种或几种，优选168；相容剂为马莱酸酐接枝聚乙烯型、马莱酸酐接枝聚丙烯型中的一种，优选马莱酸酐接枝聚丙烯型，
将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，将碳纤维5-40份，由挤出机中部喂料口加入到双螺杆挤出机机筒中，进行挤出造粒，得到碳纤增强聚丙烯复合材料；其中，碳纤维为连续碳纤维，碳含量≥95％，抗拉强度≥4000MPa，单丝直径为5～8μm的纤维，优选抗拉强度4900MPa，直径为7μm的碳纤维；双螺杆挤出机料筒温度为170-270℃，螺杆转速50r/min；
将所得到的碳纤增强聚丙烯复合材料95-99份与发泡剂1-5份放入混合机中混合均匀；发泡剂母粒中发泡剂为碳酸氢铵、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、甲苯磺酞氨基脲、偶氮二碳酸胺中的一种或几种的组合物，优选偶氮二甲酰胺。
将碳纤增强聚丙烯复合材料和发泡剂混合物加入到注塑机中，注塑成型得到碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料。注塑机料筒温度设置为180-280℃，注射压力为60-80MPa，注射速度为50-80mm/s，冷却时间为10-30s。
本发明的有益效果是：相比未加纤、以及常规玻纤增强聚丙烯微发泡材料，碳纤维增强与微孔发泡技术相结合进一步减轻材料重量的同时，大幅提高拉伸强度、模量、抗冲击性能和耐热性能，满足汽车工业对聚丙烯微发泡材料高性能化要求。产品可应用到汽车的内、外塑料结构件，代替现有实心改性聚丙烯注塑制件，并可代替部分工程塑料制件，实现汽车材料轻量化；也可用于其它领域，比如建筑、电子、造船工业等。
具体实施方式
实施例一
将熔融指数为10g/10min的聚丙烯40份、滑石粉26份、相容剂8份、抗氧剂1680.6份、抗氧剂10100.4份的混合物放入高速混合机，混合6分钟，然后，将上述组分混合物经由料斗加入双螺杆挤出机，将碳纤维20份经由挤出机中部喂料口加入，同时挤出并造粒，获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。双螺杆挤出机料筒温度设置为170-270℃，螺杆转速50r/min；最后将5份发泡母粒与95份上述挤出粒料混合均匀，加入注塑机中，注塑成型得到碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料。注塑机料筒温度设置为180-280℃，注射压力为60MPa，注射速度为70mm/s，冷却时间为10s。所得微发泡材料与未加纤维和玻纤增强材料的性能对比如下表所示：
表1 碳纤维增强微发泡材料与未加纤、常规玻纤增强的材料性能对比
实施例二
将熔融指数为20g/10min的聚丙烯70份、滑石粉0份、相容剂1份、抗氧剂1680.3份、抗氧剂10100.2份的混合物放入高速混合机，混合4分钟，然后，将上述组分混合物经由料斗加入双螺杆挤出机，将碳纤维27.5份经由挤出机中部喂料口加入，同时挤出并造粒，获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。双螺杆挤出机料筒温度设置为170-270℃，螺杆转速50r/min；最后将1份发泡母粒与99份上述挤出粒料混合均匀，加入注塑机中，注塑成型得到碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料。注塑机料筒温度设置为180-280℃，注射压力为70MPa，注射速度为80mm/s，冷却时间为17s。所得微发泡材料与未加纤维和玻纤增强材料的性能对比如下表所示：
表2 碳纤维增强微发泡材料与未加纤、常规玻纤增强的材料性能对比
实施例三
将熔融指数为60g/10min的聚丙烯53份、滑石粉10份、相容剂2份、抗氧剂1681.2份、抗氧剂10100.8份的混合物放入高速混合机，混合5分钟，然后，将上述组分混合物经由料斗加入双螺杆挤出机，将碳纤维30份经由挤出机中部喂料口加入，同时挤出并造粒，获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。双螺杆挤出机料筒温度设置为170-270℃，螺杆转速50r/min；最后将3份发泡母粒与97份上述挤出粒料混合均匀，加入注塑机中，注塑成型得到碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料。注塑机料筒温度设置为180-280℃，注射压力为80MPa，注射速度为50mm/s，冷却时间为30s。所得微发泡材料与未加纤维和玻纤增强材料的性能对比如下表所示：
表3 碳纤维增强微发泡材料与未加纤、常规玻纤增强的材料性能对比
实施例四
将熔融指数为40g/10min的聚丙烯47份、滑石粉40份、相容剂5份、抗氧剂1680.6份、抗氧剂10100.4份的混合物放入高速混合机，混合4分钟，然后，将上述组分混合物经由料斗加入双螺杆挤出机，将碳纤维5份经由挤出机中部喂料口加入，同时挤出并造粒，获得碳纤维增强聚丙烯复合材料。双螺杆挤出机料筒温度设置为170-270℃，螺杆转速50r/min；最后将2份发泡母粒与98份上述挤出粒料混合均匀，加入注塑机中，注塑成型得到碳纤维增强聚丙烯微发泡复合材料。注塑机料筒温度设置为180-280℃，注射压力为70MPa，注射速度为60mm/s，冷却时间为25s。所得微发泡材料与未加纤维和玻纤增强材料的性能对比如下表所示：
表4 碳纤维增强微发泡材料与未加纤、常规玻纤增强的材料性能对比
检测项目 标准 未加纤 常规玻纤 实施例四
密度/g/cm3 ISO 1183 1.15 1.13 1.09
拉伸强度/MPa ISO 527 27.7 34.1 50.4
弯曲模量/MPa ISO 178 4000 4600 5800
简支梁无缺口 ISO 180 23 38 37
冲击强度/kJ/m2
热变形温度/℃ ISO 75 120 127 140
从以上实施例与未加纤、常规玻纤增强聚丙烯微发泡材料性能对比可以看出，碳纤维增强与微孔发泡技术相结合，使聚丙烯微发泡材料具有更轻的质量，保证了材料轻量化特征。碳纤维对聚丙烯微发泡材料力学和耐热性能具有显著提升效果，强度、刚性和热变形温度明显优于前二者的。本发明的另一个特点是加工周期明显缩短，显著降低生产成本。产品具有优异的尺寸稳定性。另外，可根据不同需求，调整配方比例，达到所需目标性能，减少材料用量。
本发明采用碳纤维增强技术，在保证实现聚丙烯材料轻量化的前提下，有效改善产品尺寸稳定性，显著提高制品刚性、强度和耐热性能，实现聚丙烯微发泡材料高性能化。同时，缩短加工周期，提高生产效率。本产品可通过普通注塑工艺实现，操作简单，实用性强。产品除了适用于汽车内、外塑料结构制件外，还可用于建筑、电子、体育器材等行业领域。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，原料由以下重量份的组分组成：
聚丙烯 40-70份
碳纤维 5-30份
无机粉体 0-40份
发泡剂母粒 1-5份
相容剂 1-8份
抗氧剂 0.5-2份。
2.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述聚丙烯的熔融指数为5-60g/10min。
3.根据权利要求1所述碳纤维，其特征在于：所述碳纤维为连续纤维，碳含量≥95％，抗拉强度≥4000MPa，碳纤维直径5～8μm。
4.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述无机粉体为滑石粉或碳酸钙。
5.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述发泡剂母粒主要成份为碳酸氢铵、碳酸氢钠、偶氮二甲酰胺、甲苯磺酞氨基脲、偶氮二碳酸胺中的至少一种。
6.根据权利要求1所述碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，其特征在于：所述抗氧剂分为主抗氧剂和辅抗氧剂，按照2：3的比例添加，所述主抗氧剂选自受阻酚类和硫酯类抗氧剂中的至少一种，辅抗氧剂选自亚磷酸盐类和亚磷酸酯类抗氧剂中的至少一种。
7.根据权利要求1-6所述任一碳纤维增强聚丙烯微发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将聚丙烯、无机粉体、抗氧剂按所述重量比例放入高速混合机中混合4-6min，获得以上组分均匀混合物；
步骤二、将上述组分混合物由料斗加入双螺杆挤出机，碳纤维由侧喂料口加入到双螺杆挤出机中，进行挤出造粒，得到碳纤增强聚丙烯复合材料；
步骤三、将所述碳纤增强聚丙烯复合材料和发泡剂按比例放入混合机中混合，获得二者混合物；
步骤四、将所述混合物加入到注塑机中，注塑成型得到高性能碳纤维增强聚丙烯微发泡材料，注塑机料筒温度180-280℃，注射压力为60-80MPa，注射速度为50-80mm/s，冷却时间为10-30s。
8.根据权利要求7所述碳纤维增强聚丙烯微发泡材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，双螺杆挤出机料筒温度为170-270℃，螺杆转速50r/min。
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