一种叶蜡石改性塑料的复合材料及其制备方法和叶蜡石的应用

摘要

本发明提供了一种叶蜡石改性塑料的复合材料及其制备方法，复合材料由100份塑料树脂、10~35份叶蜡石、0~10份偶联剂、0~1.5份抗氧剂、0~2份润滑剂制备而成。本发明还公开了叶蜡石在塑料改性中的应用。本发明创新性的采用叶蜡石作为改性塑料的填料，其同时起到填料和阻燃剂的作用，使其阻燃性达到Ｖ０级，并可以大幅提高复合材料的弯曲强度和热变形温度。

说明书

技术领域

本发明涉及塑料改性技术领域，具体涉及一种叶蜡石改性塑料的复合材料、制备方法及叶蜡石在塑料改性中的应用。

 

背景技术

目前塑料的用途越来越广泛，为了改善或增加塑料的功能，使其在电、磁、光、热、耐老化、阻燃、机械性能等方面达到特殊环境条件下使用的功能，为了降低塑料的使用成本，提高或改善其综合性能，以满足不同的需要，塑料常要通过物理的、化学的或机械的方法进行改性才能适应各种实际要求。其中在塑料中加入一定量的填料是降低塑料价格，改善其性能的重要方法。但目前塑料改性的粉体填充体系最常用的有碳酸钙、硫酸钡、云母粉以及其他常见粉体材料，其主要作用是降低塑料的使用成本，对其性能方面没有任何的改善。此外在需要阻燃要求的体系中需要额外加入阻燃剂，一方面增加了材料改性成本，另一方面还会导致塑料机械性能有所下降。

叶蜡石为晶体结构，属层状硅酸盐矿物，其晶体结构是每一结构单位层由上下二层（Si-O）四面体层中间夹一层（Al-O,OH）八面体层组成。中国叶蜡石矿资源丰富，开发利用方面主要产品为陶瓷级、耐火材料级、玻璃级、雕刻级。

本发明中将叶腊石作为填料应用于塑料中可以提高热变形温度和弯曲强度，同时起到阻燃剂作用，并且能够降低成本。

 

发明内容

本发明的目的是提供了一种叶蜡石改性塑料的复合材料、制备方法，达到提高改性塑料的热变形温度和弯曲强度。

本发明的第三个目的是提供一种叶蜡石作为填料和阻燃剂在塑料改性中的应用，叶蜡石填充塑料后还可以起到阻燃作用，降低改性塑料的生产成本。

一种叶蜡石改性塑料的复合材料，由下列组份按重量份制备而成：

塑料树脂　100份

叶蜡石　　10~35份

偶联剂　　0~10份

抗氧剂　　0~1.5份

润滑剂　　0~2份。

上述方案的优选方案是，所述塑料树脂为聚烯烃和聚酰胺（PA）。所述的聚烯烃优选为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯，所述的聚酰胺优选为PA6、PA66、PA6 10和PA6 12。

所述叶蜡石为粉末状颗粒，其粒径为500～1500目。

所述抗氧剂为受阻酚类抗氧剂四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）和亚磷酸酯抗氧剂亚磷酸酯抗氧剂三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯（抗氧剂168）。

所述润滑剂为次乙基双硬脂酰胺、乙烯-丙烯酸共聚物和季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种。

所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）或马来酸酐接枝聚丙烯（MAPP）。

本发明第二个技术方案是提供一种制备上述叶蜡石改性塑料复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）按以下比例配备原料：塑料树脂100份、叶蜡石10~35份、偶联剂0~10份、抗氧剂0~1.5份以及润滑剂0~2份；

（2）将偶联剂溶于甲醇或乙醇配制成质量比为20%~50%的偶联剂溶液；

（3）将叶蜡石置于（2）中的偶联剂溶液中进行表面处理15~35min后，烘干；

（4）将经（2）处理的叶蜡石与塑料树脂、抗氧剂、润滑剂一起置于高速混合机搅拌分散10~25min；

（5）将分散后的原料通过挤出机，经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性塑料复合材料；所述挤出机从喂料到机头各区温度分别为150℃~180℃、180℃~235℃、210℃~240℃、210℃~245℃、220℃~245℃、210℃~245℃和210℃~240℃，主机转速350rpm~450rpm，切粒机频率15Hz~35Hz。

本发明的第三个技术方案是提供一种叶蜡石在塑料改性中的应用，所述叶蜡石作为塑料改性中的填料和阻燃剂的用途。

本发明中叶蜡石为层状铝硅酸盐矿物，晶型呈扁长板状，其每一结构单位层由上下二层（Si-O）四面体层中间夹一层（Al-O,OH）八面体层组成。叶蜡石加工性优异，遮盖性、热稳定性好，常用白度为50%～90%。本发明中叶蜡石经筛选、研磨和精制等步骤制得细度为500～1500目的粉末状颗粒。

本发明的叶蜡石改性塑料复合材料中叶蜡石可直接作为填料进行使用，但经偶联剂表面处理后其填充、阻燃的效果更佳。

本发明的叶蜡石可应用于其他塑料树脂的改性过程中，用作填充剂与阻燃剂，但最优的是应用于聚烯烃和聚酰胺，其改性效果更为显著。

所以本发明具有下述有益效果：

（1）本发明创新性的采用叶蜡石作为改性塑料的填料，其同时起到填料和阻燃剂的作用，采用UL94标准检测改性后的复合材料的阻燃性，使其阻燃性达到Ｖ０级，并降低改性塑料的生产成本。。 

（2）本发明采用叶蜡石作为改性塑料的填充料，可以大幅提高材料的弯曲强度和热变形温度，改善塑料复合材料的综合性能，提高其适应范围。采用采ASTM D790、ASTM D648检测改性后的复合材料的弯曲强度与耐热性，较普通填料如碳酸钙、硫酸钡来改性塑料最大可提高48.6%和73.7%。

（3）本发明的生产方法工艺简单，所制备复合材料性能优越，适于工业化生产。

（4）由于叶蜡石矿资源丰富，价格比碳酸钙、硫酸钡低，可以降低本发明的生产成本。

 

具体实施方法

下面结合具体实施例对本发明内容进行进一步的说明，但所述实施例并非是对本发明实质精神的简单限定，任何基于本发明实质精神所作出的简单变化或等同替换均应属于本发明所要求保护的范围之内。

本发明中聚烯烃树脂有聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。聚酰胺主要指PA6、PA66、PA6 10和PA6 12等。下面实施例部分主要以聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、尼龙6树脂为例进行说明，其他的也有相同的效果。

本发明的具体实施例如下： 

实施例1

（1）按以下比例配备原料：

聚丙烯树脂　　　100份，

叶蜡石　　　　　10份，

抗氧剂1010　　 0.3份，

抗氧剂168 　　　0.2份

润滑剂次乙基双硬脂酰胺 0.5份。

（2）将上述制备原料置于高速混合机分散10分钟；

（3）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为150℃、180℃、210℃、210℃、220℃、210℃和210℃，主机转速350rpm，切粒机频率15Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性聚丙烯复合材料。

所制得的叶蜡石改性聚丙烯复合材料性能见表1。

 

实施例2

（1）按以下比例配备原料：

聚丙烯树脂　　　100份，

叶蜡石　　　　　25份，

偶联剂KH550 　　5份，

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物 1份。

（2）将偶联剂KH550溶于甲醇配制成质量比为35%的偶联剂溶液；

（3）将叶蜡石置于KH550溶液中进行表面处理25min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散20分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为155℃、185℃、215℃、215℃、225℃、215℃和215℃，主机转速400rpm，切粒机频率25Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性聚丙烯复合材料。

所制得的叶蜡石改性聚丙烯复合材料性能见表1。

 

实施例3

（1）按以下比例配备原料：

聚丙烯树脂　　　100份，

叶蜡石　　　　　35份，

偶联剂KH550 　10份，

抗氧剂1010　　 1份，

抗氧剂168　　　 0.5份

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 2份。

（2）将偶联剂KH550溶于甲醇中配制成质量比为50%的KH550溶液；

（3）将叶蜡石置于50% KH550溶液中进行表面处理35min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散25分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为160℃、190℃、220℃、220℃、230℃、220℃和220℃，主机转速450rpm，切粒机频率35Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性聚丙烯复合材料。

所制得的叶蜡石改性聚丙烯复合材料性能见表1。

 

实施例4

（1）按以下比例配备原料：

尼龙6树脂　　　100份，

叶蜡石　　　　　10份，

偶联剂MAPP　　 2份，

抗氧剂1010　　 　0.3份，

抗氧剂168　　　 0.2份

（2）将偶联剂MAPP溶于乙醇中配制成质量比为20%的MAPP溶液；

（3）将叶蜡石置于20% MAPP溶液中进行表面处理15min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散10分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为180℃、235℃、240℃、245℃、245℃、245℃和240℃，主机转速350rpm，切粒机频率15Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性尼龙6复合材料。

所制得的叶蜡石改性尼龙6复合材料性能见表1。

 

实施例5

（1）按以下比例配备原料：

聚苯乙烯树脂　　100份，

叶蜡石　　　　　25份，

偶联剂MAPP 　　5份，

抗氧剂1010 　　0.6份，

抗氧剂168 　　　0.4份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物 　1份。

（2）将偶联剂MAPP溶于乙醇中配制成质量比为35%的MAPP溶液；

（3）将叶蜡石置于35% MAPP溶液中进行表面处理25min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散20分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为175℃、230℃、235℃、240℃、240℃、240℃和235℃，主机转速400rpm，切粒机频率25Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性尼龙6复合材料。

所制得的叶蜡石改性尼龙6复合材料性能见表1。

 

实施例6

（1）按以下比例配备原料：

尼龙6树脂　　　100份，

叶蜡石　　　　　35份，

偶联剂MAPP 　　10份，

抗氧剂1010　　　 1份，

抗氧剂168 　　　0.5份

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 1份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物1份。

（2）将偶联剂MAPP溶于乙醇中配制成质量比为50%的MAPP溶液；

（3）将叶蜡石置于50% MAPP溶液中进行表面处理35min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散25分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为170℃、225℃、230℃、235℃、235℃、235℃和230℃，主机转速450rpm，切粒机频率35Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性尼龙6复合材料。

所制得的叶蜡石改性尼龙6复合材料性能见表1。

 

实施例7

（1）按以下比例配备原料：

尼龙6 10树脂　  100份，

叶蜡石　　　　　35份，

偶联剂MAPP 　　10份，

抗氧剂1010　　　 1份，

抗氧剂168 　　　0.5份

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 1份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物1份。

（2）将偶联剂MAPP溶于乙醇中配制成质量比为50%的MAPP溶液；

（3）将叶蜡石置于50% MAPP溶液中进行表面处理35min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散25分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为170℃、225℃、230℃、235℃、235℃、235℃和230℃，主机转速450rpm，切粒机频率35Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性尼龙6复合材料。

所制得的叶蜡石改性尼龙6复合材料性能见表1。

 

实施例8

（1）按以下比例配备原料：

尼龙6 12树脂　　100份，

叶蜡石　　　　　35份，

偶联剂MAPP 　　10份，

抗氧剂1010　　　 1份，

抗氧剂168 　　　0.5份

润滑剂季戊四醇硬脂酸酯 1份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物1份。

（2）将偶联剂MAPP溶于乙醇中配制成质量比为50%的MAPP溶液；

（3）将叶蜡石置于50% MAPP溶液中进行表面处理35min后烘干；

（4）将上述制备原料置于高速混合机分散25分钟；

（5）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为170℃、225℃、230℃、235℃、235℃、235℃和230℃，主机转速450rpm，切粒机频率35Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得叶蜡石改性尼龙6复合材料。

所制得的叶蜡石改性尼龙6复合材料性能见表1。

 

对照实施例1

（1）按以下比例配备原料：

聚丙烯树脂　　　　100份，

碳酸钙　　　　　　25份，

偶联剂KH550　　 5份，

抗氧剂1010 　　　0.5份，

抗氧剂168 　　　　0.3份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物 1份。

（2）将碳酸钙置于35% KH550的甲醇溶液配制的偶联剂中进行表面处理25min后烘干；

（3）将上述制备原料置于高速混合机分散20分钟；

（4）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为155℃、185℃、215℃、215℃、225℃、215℃和215℃，主机转速400rpm，切粒机频率25Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得碳酸钙改性聚丙烯复合材料。

所制得的碳酸钙改性聚丙烯复合材料性能见表1。

 

对照实施例2

（1）按以下比例配备原料：

尼龙6树脂　　　　100份，

硫酸钡　　　　　　25份，

偶联剂MAPP 　　　5份，

抗氧剂1010　　　　 0.5份，

抗氧剂168 　　　　0.3份

润滑剂乙烯-丙烯酸共聚物 1份。

（2）将硫酸钡置于350% MAPP的乙醇溶液配制的偶联剂中进行表面处理25min后烘干；

（3）将上述制备原料置于高速混合机分散20分钟；

（4）将分散后的原料通过挤出机，从喂料到机头各区温度分别为175℃、230℃、235℃、240℃、240℃、240℃和235℃，主机转速400rpm，切粒机频率25Hz。原料经熔融、塑化、挤出、冷却、切粒和包装后，制得硫酸钡改性尼龙6复合材料。

所制得的硫酸钡改性尼龙6复合材料性能见表1。

将上述实施例1-6与对照实施例1-2所制备的改性复合材料样品在23℃、50%湿度环境下调节后，分别采用ASTM D790、ASTM D648和UL94检测其弯曲强度、耐热性和阻燃性，具体见下表一。

表一：改性塑料的性能

性能弯曲强度（MPa）热变形温度（℃）阻燃性（V）实施例1391270实施例2451390实施例3521450实施例41061480实施例5781220实施例61301650实施例71351700实施例81421880对照实施例135902对照实施例290952

通过本方法制备的叶蜡石改性塑料复合材料，具有较高的弯曲强度热变形温度和阻燃性。通过表1中数据可知，本发明制备的叶蜡石改性聚丙烯复合材料的弯曲强度和热变形温度最大分别达到52MPa、145℃，较对比实施例1中以碳酸钙改性聚丙烯复合材料相比分别提高48.6%和61.1%；本发明制备的叶蜡石改性尼龙6复合材料的弯曲强度和热变形温度最大分别达到130MPa、165℃，较对比实施例2中用硫酸钡改性尼龙6复合材料相比分别提高44.5%和73.7%。另外，本发明的用叶蜡石改性塑料的复合材料的阻燃性高，明显比对照实施例1、２中的阻燃性要好得多。

其中实施例1中叶蜡石未经偶联剂表面处理，而实施例2、3中的叶蜡石均经偶联剂进行表面处理了，由表一数据可知，叶蜡石采用偶联剂处理后其对改性聚丙烯的弯曲强度和热变形温度增强效果更加显著。实施例5采用了聚苯乙烯树脂，由数据可知叶腊石可应用于聚烯烃与聚酰胺以外的塑料树脂基体，其弯曲强度热变形温度和阻燃性均得到大幅度提高，但改善效果较改性聚烯烃和聚酰胺略差。

此外本发明可以降低生产成本，所制备复合材料性能优越，操作工艺简单，适于工业化生产。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。