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CN106751668A - 基于玄武岩纤维增强的pc/abs复合材料及其制备方法 - Google Patents

基于玄武岩纤维增强的pc/abs复合材料及其制备方法 Download PDF

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CN106751668A
CN106751668A CN201611175058.5A CN201611175058A CN106751668A CN 106751668 A CN106751668 A CN 106751668A CN 201611175058 A CN201611175058 A CN 201611175058A CN 106751668 A CN106751668 A CN 106751668A
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CN
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abs
basalt fibre
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composites
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叶海勇
叶海军
张宏伟
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Dongguan G1 Nuclear Materials Co Ltd
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Dongguan G1 Nuclear Materials Co Ltd
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Abstract

本发明涉及塑胶原料领域，具体涉及一种基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料及其制备方法，基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 45‑55份；ABS 15‑25份；玄武岩纤维10‑20份；增韧剂3‑8份；润滑剂1‑2份；偶联剂1‑2份；相容剂2‑6份；阻燃剂5‑10份；阻燃协效剂1‑4份；抗氧剂0.1‑1份。本发明弯曲强度高、拉伸强度高、冲击强度好、阻燃性好、安全环保。

Description

基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及塑胶原料领域，特别是涉及基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料及其制备方法。
背景技术
高分子材料在汽车制造领域具有广泛的应用，不断引领着汽车向轻量、节能、美观、安全、环保和舒适的方向发展。汽车内饰板是汽车的重要部件之一，对于大部分汽车来说,汽车内饰板加工用塑料需要具有优异的阻燃性、耐老化性、耐磨性和抗冲击性等性能。
现有技术中，汽车内饰多采用PC/ABS合金，PC/ABS合金全名聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物，是由聚碳酸酯(Polycarbonate)和聚丙烯腈(ABS)合金而成的热可塑性塑胶，结合了两种材料的优异特性，ABS材料的成型性和PC的机械性、冲击强度和耐温、抗紫外线(UV)等性质，颜色是无透明颗粒，可广泛使用在汽车内部零件、商务机器、通信器材、家电用品及照明设备上。但现有技术的PC/ABS合金弯曲强度、拉伸强度和抗冲击强度等性质仍需增强。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种弯曲强度高、拉伸强度高、冲击强度好、阻燃性好、安全环保的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料。
本发明所采用的技术方案是：基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 45-55份；ABS 15-25份；玄武岩纤维10-20份；增韧剂3-8份；润滑剂1-2份；偶联剂1-2份；相容剂2-6份；阻燃剂5-10份；阻燃协效剂1-4份；抗氧剂0.1-1份。
对上述技术方案的进一步改进为，所述玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维。
对上述技术方案的进一步改进为，所述偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550；所述增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为55-70％。
对上述技术方案的进一步改进为，所述润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；所述抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。
对上述技术方案的进一步改进为，所述相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物。
对上述技术方案的进一步改进为，所述阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000中的一种或几种的混合物；所述阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为20-80％。
对上述技术方案的进一步改进为，所述PC是分子量为17000～30000的双酚A型聚碳酸酯，其玻璃化温度为145～150℃；所述ABS的分子量为80000～150000，所述ABS的组分为质量百分比含量为5～30％的橡胶、10～30％的丙烯腈，40～70％的苯乙烯。
对上述技术方案的进一步改进为，包括以下重量份数的组分，PC 50份；ABS20份；玄武岩纤维14份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，包括以下步骤，a.取配方量的PC、ABS、玄武岩纤维、增韧剂、润滑剂、偶联剂、相容剂、阻燃剂、阻燃协效剂、抗氧剂，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
对上述技术方案的进一步改进为，步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为190℃-230℃，螺杆转速为160r/m-180r/m。
本发明的有益效果为：
1、一方面，本发明主要采用玄武岩纤维来增强PC/ABS合金，PC/ABS合金为热塑性材料，相对于传统的纤维增强热固性材料，热塑性材料可回收再利用，且工艺要求低，能休整成型后的制品，耐化学性能好；玄武岩纤维是一种高强、高模的无机矿物纤维，而且耐高温，耐腐蚀等性能优秀，是一种绿色无污染的理想材料，并且，玄武岩纤维抗拉强度突出，玄武岩纤维来能显著增大PC/ABS合金的抗拉强度，制备的复合材料弯曲强度高、拉伸强度高、冲击强度好且安全环保、便于回收利用。第二方面，本发明含有阻燃剂和阻燃协效剂，阻燃效果好。第三方面，经测试，本发明的复合材料阻燃效果好、安全环保、热稳定性好、耐酸、耐碱，化学性质稳定。
2、玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维，在本发明的复合材料中，采用连续纤维，使得玄武岩纤维最小保留尺度较大，分散均匀，并且在复合材料内部，连续玄武岩纤维可形成纤维互相缠绕的三维网络结构，使得纤维增强效应更加明显，进一步有利于提高复合材料的强度。另外，纤维端部的应力集中点也是裂纹引发点，容易造成应力开裂，从而造成韧性下降。由于连续纤维复合材料样品中的纤维最小保留长度较长，端部数量则会显著减少，从而保持有较好的冲击性能。
3、偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550，由于玄武岩纤维模量较高，PC/ABS树脂把玄武岩纤维粘接起来后作为一个整体来承受载荷，如玄武岩纤维和PC/ABS树脂的界面粘接强度不高，则复合材料的强度增强不明显，因此，本发明中加入了偶联剂，通过偶联剂提高玄武岩纤维和PC/ABS树脂之间的粘接强度，有利于提高复合材料整体的抗拉强度。本发明中偶联剂选用环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550，KH-550水解反应后的基团能与玄武岩纤维表面吸水后生产的羟基稳定结合，也能与PC/ABS树脂结合，从而有效提高玄武岩纤维和PC/ABS树脂的界面结合力，进一步有利于提高复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度。
4、PC/ABS树脂为准韧性基体，冲击断裂行为以剪切屈服为主，具有高的银纹引发能和低的银纹扩展能，因此具有较高的无缺口冲击强度和较低的缺口冲击强度。因此，PC/ABS树脂的增韧主要是以剪切带引发为主。此时，就需要能够引发剪切带的小粒径增韧剂来改性PC/ABS树脂，用以在受到外力时，引发基体内部的剪切带，以吸收能量，防止基体破坏。同时，加入稍大粒径的增韧剂，可以阻止因为受冲击而产生的微裂纹，吸收能量，提高机体的面冲击强度。本发明中选用苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物为增韧剂，胶含量为55-70％，该增韧剂的粒径较大，能有效改善PC/ABS树脂的冲击强度，进一步有利于提高复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度。
5、润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂，润滑剂的加入，对整个复合材料大分子起到润滑作用，减小产品与外界的摩擦系数，硬脂酰胺类润滑剂与本发明的其他组分相容性好，且润滑性能好，有利于增加本发明的机械强度。
6、由于ABS树脂中含有聚丁二烯，容易被氧化，抗氧剂的加入，避免复合材料中ABS树脂被过度氧化分解，有利于提高复合材料的稳定性。
7、相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物，相容剂能与ABS中的极性基团反应，提高ABS和玄武岩纤维的粘接强度，进一步有利于提高复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度。
8、阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000中的一种或几种的混合物；所述阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为20-80％。一方面，本发明所选的阻燃剂阻燃效果好、耐高温，能提高本发明的热稳定性，同时，可增加聚合物分子间作用力和刚性，另外降低其熔融熵。第二方面，阻燃剂和阻燃协效剂相配合，实现凝聚相阻燃和气相阻燃双重协效阻燃机理达到协效阻燃之目的，进一步提高了本发明的阻燃效果。
9、基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 50份；ABS 20份；玄武岩纤维14份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。由于复合材料主要靠玄武岩纤维来承受载荷，若玄武岩含量较低，则纤维间会出现较大的交叠，增强效果差，若玄武岩含量高，会导致各组分混合不均匀，PC/ABS无法完全浸泡包裹玄武岩纤维，各组分间相容性较差，只有选用此配方，玄武岩纤维的含量为20％左右，制备的复合材料，各组分的加入量为最合适的量，玄武岩纤维能在偶联剂、相容剂、增韧剂、润滑剂的作用下，玄武岩纤维能与PC/ABS 紧密结合，且玄武岩纤维能均匀稳定的分布于PC/ABS表面，从而最大限度的提高复合材料的强度。
10、在该复合材料制备过程中，挤出温度过低时，高分子材料表现为刚性的固体形态，不能以熔融状态存在，难于进行挤出成型，若温度过高，超过220℃时，已超过ABS树脂的分解温度，ABS树脂老化严重，不利于提高复合材料整体的强度。当温度为220℃时，此时ABS树脂中分子链的自由运动增强，树脂粘度减小，对玄武岩纤维的包裹作用降低，受到外力场的剪切和拉伸后，玄武岩纤维会产生一定的微小形变，玄武岩纤维平均纤维长度变长，增强效果更好，进一步有利于提高复合材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度。螺杆转速为160r/m-180r/m，若转速过大，会导致复合材料所受剪切力大，玄武岩纤维被绞断，平均纤维长度减小，抗拉强度降低，若转速过小，会导致复合材料中的各组分无法均匀混合，致使得到的料条不均匀，当转速为170r/m时，得到的复合材料拉伸强度最高。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。
具体实施例1：
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 55份；ABS25份；玄武岩纤维4份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。
其中，玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维；偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550；增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为63％；润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯；相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物；阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000的混合物；阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为50％；PC是分子量约为23000的双酚A型聚碳酸酯；所述ABS的分子量约为100000，ABS的组分为质量百分比含量为18％的橡胶、20％的丙烯腈，62％的苯乙烯。
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，包括以下步骤，a.取配方量的PC、ABS、玄武岩纤维、增韧剂、润滑剂、偶联剂、相容剂、阻燃剂、阻燃协效剂、抗氧剂，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为220℃，螺杆转速为170r/m。
具体实施例2：
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 50份；ABS20份；玄武岩纤维14份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。
其中，玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维；偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550；增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为63％；润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯；相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物；阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000的混合物；阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为50％；PC是分子量约为23000的双酚A型聚碳酸酯；所述ABS的分子量约为100000，ABS的组分为质量百分比含量为18％的橡胶、20％的丙烯腈，62％的苯乙烯。
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，包括以下步骤，a.取配方量的PC、ABS、玄武岩纤维、增韧剂、润滑剂、偶联剂、相容剂、阻燃剂、阻燃协效剂、抗氧剂，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为220℃，螺杆转速为170r/m。
具体实施例3：
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 47份；ABS17份；玄武岩纤维20份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。
其中，玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维；偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550；增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为63％；润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯；相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物；阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000的混合物；阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为50％；PC是分子量约为23000的双酚A型聚碳酸酯；所述ABS的分子量约为100000，ABS的组分为质量百分比含量为18％的橡胶、20％的丙烯腈，62％的苯乙烯。
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，包括以下步骤，a.取配方量的PC、ABS、玄武岩纤维、增韧剂、润滑剂、偶联剂、相容剂、阻燃剂、阻燃协效剂、抗氧剂，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为220℃，螺杆转速为170r/m。
对照组：
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，包括以下重量份数的组分，PC 57份；ABS27份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；阻燃剂8份；阻燃协效剂2.5份；抗氧剂0.2份。
其中，增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为63％；润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯；阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000的混合物；阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为50％；PC是分子量约为23000的双酚A型聚碳酸酯；所述ABS的分子量约为100000，ABS的组分为质量百分比含量为18％的橡胶、20％的丙烯腈，62％的苯乙烯。
基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，包括以下步骤，a.取配方量的各组分，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为220℃，螺杆转速为170r/m。
采用各具体实施例和对照组的材料，制成相同厚度、相同大小、相同性质的板状产品，在相同的环境条件下，采用相同的测量仪器和测量方法，测量各组材料的物理性质，测量结果见表1。
从表1可见，一方面，基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料中，加入玄武岩纤维后能显著提升材料的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度等物理性质，同时降低材料的滑断裂拉伸率，提升材料的机械强度，且当玄武岩纤维含量为20％左右时，纤维增强效果最明显。第二方面，采用本发明的配方获得的复合材料，阻燃效果好，安全环保。第三方面，采用本发明的配方获得的复合材料，热变形温度高，耐热效果好。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：包括以下重量份数的组分，PC45-55份；ABS 15-25份；玄武岩纤维10-20份；增韧剂3-8份；润滑剂1-2份；偶联剂1-2份；相容剂2-6份；阻燃剂5-10份；阻燃协效剂1-4份；抗氧剂0.1-1份。
2.根据权利要求1所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述玄武岩纤维为长径比为1500的连续纤维。
3.根据权利要求2所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述偶联剂为环氧树脂E51和脂环族环氧复配上浆得到的KH-550；所述增韧剂为苯乙烯、丙烯腈－丁二烯橡胶的核壳型聚合物，增韧剂中胶含量为55-70％。
4.根据权利要求3所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述润滑剂为硬脂酰胺类润滑剂；所述抗氧剂为四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯。
5.根据权利要求4所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述相容剂为苯乙烯与马来酸酐的共聚物。
6.根据权利要求5所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述阻燃剂为十溴二苯乙烷如4010、溴化环氧如CXB-714C和聚合型阻燃剂FR-Emerald1000中的一种或几种的混合物；所述阻燃协效剂为三氧化二锑、无机粉体和超高分子量聚硅氧烷组成的复配物，该复配物中三氧化二锑的重量百分含量为20-80％。
7.根据权利要求6所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：所述PC是分子量为17000～30000的双酚A型聚碳酸酯，其玻璃化温度为145～150℃；所述ABS的分子量为80000～150000，所述ABS的组分为质量百分比含量为5～30％的橡胶、10～30％的丙烯腈，40～70％的苯乙烯。
8.根据权利要求7所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料，其特征在于：包括以下重量份数的组分，PC 50份；ABS 20份；玄武岩纤维14份；增韧剂4份；润滑剂1.3份；偶联剂0.5份；相容剂3份；阻燃剂6份；阻燃协效剂1份；抗氧剂0.2份。
9.基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，a.取配方量的PC、ABS、玄武岩纤维、增韧剂、润滑剂、偶联剂、相容剂、阻燃剂、阻燃协效剂、抗氧剂，混合均匀；b.将步骤a中的各组分导入螺杆挤出机内进行挤出得到料条；c.对料条进行水冷、风干处理；d.取步骤c中冷却干燥的料条进行切粒。
10.根据权利要求9所述的基于玄武岩纤维增强的PC/ABS复合材料的制备方法，其特征在于：步骤b中，螺杆挤出机挤出温度为190℃-230℃，螺杆转速为160r/m-180r/m。
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