一種多功能性聚丙烯復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高分子復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種多功能性聚丙烯復(fù)合材料及 其制備方法。本發(fā)明原料來(lái)源廣、成本低，制備途徑簡(jiǎn)單易行。所制備復(fù)合材料同時(shí)具備優(yōu) 異的導(dǎo)熱性能，絕緣性能，阻燃性能以及力學(xué)性能，在換熱器，儀表外殼、電路元件，汽車，化 工能源及航空航天等領(lǐng)域都可以得到廣泛的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分子基復(fù)合材料由于其質(zhì)輕、易加工成型、耐磨損且制備簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化等優(yōu) 點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。然而，絕大多數(shù)高分子材料熱導(dǎo)率極低，若賦予高分子材料以一定導(dǎo)熱 性，就可以大大拓寬高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域。若在高分子復(fù)合材料具有一定導(dǎo)熱性的基礎(chǔ) 上保證其絕緣性能，則對(duì)于提高電氣及微電子器件的精度、壽命和解決現(xiàn)實(shí)中大量絕緣散 熱場(chǎng)合的需求具有重大積極意義。
[0003] 一般來(lái)講，為了獲取更高的熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱填料的填充分?jǐn)?shù)往往較高，從而會(huì)導(dǎo)致復(fù) 合材料韌性大幅度下降而失去實(shí)用價(jià)值。另一方面，隨著塑料制品在生活中的應(yīng)用越來(lái)越 廣泛，易燃成為塑料制品的最大弊端。為了避免不必要事故的發(fā)生，對(duì)高分子材料阻燃性能 的要求也已成為衡量材料性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此，制備高導(dǎo)熱、良絕緣、阻燃性能優(yōu)異 且力學(xué)性能良好的多功能性復(fù)合材料具有重大意義。
[0004] 高分子復(fù)合材料是由高分子樹(shù)脂基體和各類填料以一定的方式加工而成的功能 性復(fù)合材料。常用的導(dǎo)熱填料可分為兩大類--導(dǎo)熱絕緣填料和導(dǎo)熱非絕緣填料。其中導(dǎo) 熱絕緣填料包括：金屬氧化物(如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等)、金屬氮化物(如氮化硼、氮化 鋁、氮化硅等)、金屬氫氧化物(如氫氧化鋁、氫氧化鎂等）；導(dǎo)熱非絕緣填料包括：金屬填料 (如鋁粉、銅粉、銀粉)、炭基填料(如天然石墨、石墨烯微片、碳纖維、碳納米管等)。常用的阻 燃劑包括：鹵素阻燃劑，磷系阻燃劑，氮系阻燃劑，金屬氫氧化物系阻燃劑，硅系阻燃劑，膨 脹型阻燃劑等。常用的增韌填料包括：橡膠類增韌劑，如丁晴橡膠，乙丙橡膠，丁苯橡膠等； 熱塑性彈性體類增韌劑，如苯乙烯丁二烯熱塑性彈性體（SBS)，丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物 (ABS)，乙烯辛烯共聚物（POE)等；其他增韌填料，如有機(jī)剛性粒子，柔性纖維等。
[0005] 其中，金屬氫氧化物不僅可以用作導(dǎo)熱填料，還是有效的添加型無(wú)鹵阻燃劑。以氫 氧化鎂為例，它的導(dǎo)熱系數(shù)約為63W/mK，絲毫不遜色于各種金屬氧化物導(dǎo)熱填料，同時(shí)又具 有優(yōu)異的阻燃、抑煙效果，且綠色環(huán)保、價(jià)格低廉。迄今為止，研宄者們將金屬氫氧化物單獨(dú) 作為阻燃劑或單獨(dú)作為導(dǎo)熱填料應(yīng)用時(shí)，均獲得良好效果，卻仍未有人注意到：在高填充量 下，金屬氫氧化物可以同時(shí)擔(dān)當(dāng)導(dǎo)熱填料和阻燃劑，從而將自身的兩種優(yōu)異性質(zhì)充分結(jié)合 并應(yīng)用于一項(xiàng)研宄當(dāng)中，化繁為簡(jiǎn)，提高效率。本發(fā)明將在此基礎(chǔ)上展開(kāi)研宄。
[0006] 就對(duì)于熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)而言，炭系填料遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出導(dǎo)熱絕緣填料，但炭系填料由于其 自身優(yōu)異的導(dǎo)電性，填充量受限在很小的范圍內(nèi)，否則將使復(fù)合材料失去絕緣特性。有效提 高填料利用效率的最好方法是將不同類型填料進(jìn)行合理復(fù)配，使不同形狀的填料之間發(fā)揮 協(xié)同作用，從而在獲得高熱導(dǎo)率的同時(shí)保持優(yōu)異的絕緣性能。
[0007] 聚丙烯（PP)作為五大通用塑料之一，具有密度小、易加工、吸濕性低、綜合力學(xué)性 能好、耐化學(xué)腐蝕、電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑材料、電工電氣、通訊交通、家用 電器等領(lǐng)域。聚丙烯已成為通用熱塑性塑料消費(fèi)量增長(zhǎng)最快的樹(shù)脂，其用量?jī)H次于高密度 聚乙烯（HDPE)和聚氯乙烯（PVC)。但其低溫沖擊強(qiáng)度低、耐熱性差等缺陷，并且阻燃性差， 添加含鹵阻燃劑阻燃時(shí)會(huì)釋放出有毒氣體。因此在應(yīng)用上，特別是作為結(jié)構(gòu)材料，受到很大 限制，不能作為一種高性能的工程塑料。因此對(duì)聚丙烯進(jìn)行填充或增強(qiáng)改性，就成為一個(gè)重 要的研宄課題。
[0008] 很多文獻(xiàn)對(duì)聚丙烯的導(dǎo)熱性能或阻燃性能進(jìn)行過(guò)單獨(dú)的研宄。例如，Bernd Weidenfeller等用滑石粉作為導(dǎo)熱填料對(duì)聚丙稀進(jìn)行改性，當(dāng)添加30vol%體積分?jǐn)?shù)的滑 石粉時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由〇. 27W/mK提高到2. 5W/mK ;姚佳良等在2003年發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米級(jí) 氫氧化鎂填充量達(dá)到60%時(shí)，聚丙烯復(fù)合材料垂直燃燒等級(jí)達(dá)到UL94V-0級(jí)，且發(fā)煙量少。 而我們將在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同類型填料的合理復(fù)配和改性處理，把良好的導(dǎo)熱性 能，絕緣性能，阻燃性能及以力學(xué)性能集于一體，獲得綜合性能最佳的復(fù)合材料，從而贏得 更高的實(shí)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服目前聚丙烯通用塑料的性能和加工技術(shù)的不 足之處，提供一種低成本，易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的高導(dǎo)熱，良絕緣，阻燃性能和力學(xué)性 能優(yōu)異的多功能聚丙烯復(fù)合材料及其制備工藝。
[0010] 本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，提供一種多功能性聚丙烯復(fù)合材 料，所述復(fù)合材料由以下重量百分比的原材料配制而成： 聚丙烯樹(shù)脂基體 30-40%， 無(wú)機(jī)粒子導(dǎo)熱填料或無(wú)鹵阻燃劑 60~70%， 炭基導(dǎo)熱填料 1~9%， 熱塑性彈性體增韌填料 5%~15%， 柔性纖維增韌填料 1%~3%， 抗氧劑 0? 5~2%， 加工助劑 1~3%， 上述各組分之和為100%。
[0011] 本發(fā)明還保護(hù)上述多功能聚丙烯復(fù)合材料的制備方法，按如下步驟進(jìn)行： (1) 用無(wú)水乙醇按照1:1的比例將偶聯(lián)劑稀釋，在高速攪拌的條件下，將已稀釋的偶聯(lián) 劑以霧狀噴入至無(wú)機(jī)粒子導(dǎo)熱填料表面，持續(xù)攪拌10分鐘后，置于烘箱中將溶劑烘去，冷 卻備用，以相同方法對(duì)柔性纖維增韌填料進(jìn)行改性處理； (2) 將炭基導(dǎo)熱填料超聲處理30分鐘，烘干后冷卻備用； (3) 將干燥后的重量百分比為30~40%的聚丙烯樹(shù)脂基體，60~70%的無(wú)機(jī)粒子導(dǎo)熱 填料或無(wú)鹵阻燃劑，1~9%的炭基導(dǎo)熱填料，5%~15%的熱塑性彈性體增韌填料，1%~3%的柔 性纖維增韌填料，0. 5~2%的抗氧劑，1~3%的加工助劑置于高速攪拌機(jī)中混合均勻； (4) 將預(yù)混均勻的物料加入高分子材料加工設(shè)備熔融混煉，完成造粒。
[0012] 優(yōu)選的，所述偶聯(lián)劑選自鈦酸酯偶聯(lián)劑、硅烷偶聯(lián)劑中的一種或幾種。
[0013] 優(yōu)選的，所述的聚丙烯樹(shù)脂基體選自PP (7726H)，是無(wú)規(guī)共聚聚丙烯，其熔體流動(dòng) 速率為24-35g/10min，負(fù)載下熱變形溫度為100°C。
[0014] 優(yōu)選的，無(wú)機(jī)粒子導(dǎo)熱填料或無(wú)鹵阻燃劑為氫氧化鎂、氫氧化鋁、氮化鋁、氮化鎂、 氮化硅、氧化鋁、氧化鎂中的一種或幾種；炭基導(dǎo)熱填料為納米石墨烯微片、天然石墨片、多 壁碳納米管、碳纖維中的一種或幾種。
[0015] 優(yōu)選的，熱塑性彈性體增韌填料為乙烯辛烯共聚物、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、 苯乙烯丁二烯熱塑性彈性體、乙丙橡膠、丁苯橡膠中的一種或幾種；柔性纖維增韌填料為柔 性凱夫拉纖維。
[0016] 優(yōu)選的，所述的加工助劑為硬脂酸酰胺、聚乙烯蠟以及液體石蠟中的一種或幾種。
[0017] 優(yōu)選的，所述抗氧劑選自抗氧劑1010、抗氧劑168中的一種或幾種。
[0018] 優(yōu)選的，所述的高分子材料加工設(shè)備采用單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、雙輥開(kāi)煉 機(jī)、密煉機(jī)或壓延機(jī)中的一種或幾種。
[0019] 本發(fā)明采用一步法和常用的加工設(shè)備來(lái)制備多功能性聚丙烯復(fù)合材料。金屬氫氧 化物同時(shí)作為導(dǎo)熱填料和無(wú)鹵阻燃劑對(duì)樹(shù)脂基體進(jìn)行高填充。選用少量其他類型導(dǎo)熱填 料與金屬氫氧化物進(jìn)行復(fù)配，實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，在不提高總填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)且保證阻燃性能、絕 緣性能的前提下，使熱導(dǎo)率又有大幅度的提升。再輔以少量熱塑性彈性體或柔性纖維增韌 劑，可以確保材料在尚填充的如提下依舊保持良好的力學(xué)性能。其最尚導(dǎo)熱系數(shù)大于5. 0W/ m*K，絕緣性能優(yōu)異，垂直燃燒等級(jí)為UL94 V-0且力學(xué)性能良好。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和突出效 果具體為： (1) 成功解決了高分子材料導(dǎo)熱性能差的實(shí)際問(wèn)題。所制備的聚丙烯基復(fù)合材料具有 出色的導(dǎo)熱性能，相比純聚丙烯樹(shù)脂有了大幅度的飛躍； (2) 成功解決了高分子材料阻燃性能差的問(wèn)題。高填充的金屬氫氧化物不僅大幅度提 高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，還作為阻燃劑達(dá)到了優(yōu)異的阻燃效果。一方面符合綠色環(huán)保、無(wú) 鹵阻燃的時(shí)代需求，另一方面又避開(kāi)了復(fù)雜的復(fù)配阻燃工藝，使加工