CN104744920A - 高分子复合材料及其制品与制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高分子复合材料，包含至少二种高分子基体以及分散于该些高分子基体中的填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材，该填充材与该橡胶基材混合，以使其分散于该些高分子基体中。此外，本发明亦提出一种制备高分子复合材料的制法，以及由该高分子复合材料所制成的高分子制品。

Description

高分子复合材料及其制品与制备方法

技术领域

本发明是与高分子材料有关；特别是指一种高分子复合材料及其制品与制备方法。

背景技术

近年来高分子科技蓬勃发展，且由于高分子材料具有优良的物理、化学性能以及优异的加工特性，故已被广泛应用于衣、食、住、行、通讯、电子、生医及航空等领域，如传统产业中的塑料、橡胶、纤维、轮胎、涂装、黏着、合成皮等即是一例。

随着现代科学技术的发展，人们对于高分子材料性能的要求日趋多样化。单一均聚物或共聚物往往已难以满足各种不同的要求。人们开始利用已有的聚合物材料并通过共混的方式来制备具有全新功能的复合材料，以满足各种工业应用对高分子材料性能所提出的新要求，从而使得改进原聚合物性能或形成崭新性能的聚合物共混体系，已经成为高分子科学中一个成长快速的领域。

然而，上述高分子复合材料的制备，仍然有许多可以进一步改进的地方，如：在提升高分子复合材料的物化性的同时，有时就得牺牲其加工性，例如造粒困难、分散不均、无法热熔押出等情形。因此，公知技术实有未臻完善之处而有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高分子复合材料，能够兼具其特性以及加工性。

本发明的又一目的在于提供一种高分子制品，是由具备良好特性及加工性的高分子复合材料所制得。

为实现上述目的，本发明的一较佳实施例提供一种高分子复合材料，包含至少二种高分子基体以及分散于该些高分子基体中的填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材。

本发明的再一较佳实施例提供一种高分子复合材料，包括至少二种高分子基体以及填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材，且该填充材是由与该橡胶基材混合，以使其分散于该些高分子基体。

本发明的另一较佳实施例提供一种高分子制品，其是由高分子复合材料所制得，且该高分子复合材料包含至少二种高分子基体以及分散于该些高分子基体中的填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材，且该填充材藉由与该橡胶基材混合，以使其分散于该些高分子基体中。

本发明的又一较佳实施例提供一种高分子复合材料的制备方法，包括将填充材与橡胶基材混合，以使填充材分散至该些高分子基体中。

本发明的高分子复合材料是至少由当中的橡胶，使填充材能够均匀附着于橡胶上，或也可以说是将橡胶当作增黏分散剂，以使填充材最后能够均匀分散或融入高分子基体中，以使高分子复合材料能够兼具特性及加工性，以有助于高分子复合材料及其制品的制备。

具体实施施方式

为能对本发明有更进一步了解本发明，下文特列举本发明的数个较佳实施例，详细说明本发明的构成内容。

实施例1：轻量型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例所需原料，包括三元乙丙橡胶、软木塞以及聚氨基甲酸酯树脂，并且分别取1,193公克、1,193公克以及1,590公克；其中，聚氨基甲酸酯例如是选取硬度为85A(Shore Hardness)且比重为1.3。备妥原料后，先将三元乙丙橡胶与软木塞加入混炼机，并在室温下以转速150rpm持续搅拌一小时，使软木塞均匀附着于天然橡胶上；接着，才再加入聚氨基甲酸酯树脂，并且以150rpm的转速持续搅拌一小时，以制得一初步产物；最后，利用一单螺杆押出机将上述初步产物进行押出造粒，其工艺条件例如可以控制在温度为180℃，螺杆转速为70rpm下进行，如此即可制得一种轻量型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料，且其硬度可降至65A，比重则可降至1.0。

由上述可知，本实施例利用橡胶(于此为三元乙丙橡胶)，使填充材(软木塞)最后能够均匀分散于高分子基体(聚氨基甲酸酯)中，以使最终的高分子复合材料能够兼具要求的特性(轻量化)以及加工性，有助于高分子复合材料及其制品的制备。

实施例2：轻量型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例1所制得的材料基本上相同，主要的差异在于，本实施例在制备过程中，参与的并非已聚合的高分子基体本身，而是高分子基体的对应单体及对应起始剂。举例来说，本实施例选择使用聚氨基甲酸酯的对应单体及对应起始剂，亦即分别为二苯基甲烷二异氰酸酯，以及聚己二酸二丁酯与丁二醇。然须说明的是，上述单体及起始剂并不限制，举凡包括有异氰酸酯的单体，如甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯，以及包括有多元醇的起始剂，如常见的各式聚醚多元醇或聚酯多元醇，均可用来合成聚氨基甲酸酯。以下兹说明本实施例的制备方法。

首先，备妥1,000公克的聚己二酸二丁酯、90公克的丁二醇、500公克的二苯基甲烷二异氰酸酯、1,193公克的三元乙丙橡胶，以及1,193公克的软木塞。

接着，先将除了二苯基甲烷二异氰酸酯以外的成份加入混炼机，并以150rpm的转速持续搅拌一小时，待搅拌均匀后，才加入二苯基甲烷二异氰酸酯，并再以150rpm的转速持续搅拌三十秒后，取出并静置一天，以制得一个定型的初步产物；最后，将定型后的产物解碎后，利用单螺杆押出机将上述产物进行押出造粒，工艺条件例如可同实施例1，如此即可制得一聚氨基甲酸酯系高分子复合材料，且其特性接近于上述实施例1，亦即同样具有轻量化的特性，且加工性良好。另一提的是，由于本实施例在制备复合材料的过程中同时聚合高分子基体，因此，本实施例的高分子复合材料中，除了具有已聚合的高分子基体以外，也可能含有未反应或未反应完的高分子基体的对应单体或/及预聚体，以及高分子基体的对应起始剂或/及其预聚体。

实施例3：轻量型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例1、2所制得的材料基本上相同，主要的差异在于，本实施例更进一步地将实施例2中的聚己二酸二丁酯，改成以其单体替代，亦即己二酸，并且在制备本实施例的复合材料的过程中，同时聚合合成聚己二酸二丁酯，例如于制备过程中，加入二丁基氧化锡、亚磷酸以及可选择的链增长剂(例如己二酰双己内酰胺)，并配合既有的丁二醇，以合成聚己二酸二丁酯。以下说明本实施例的制备方法。

首先，将658公克的聚己二酸、495公克的丁二醇与1,193公克的软木塞混合，同时，例如以上述聚合方法合成聚己二酸二丁酯，使得软木塞均匀分散在聚己二酸二丁酯中；接着，将1,193公克的三元乙丙橡胶以及500公克的二苯基甲烷二异氰酸酯加入混炼机进行混合，后续则可采用相同于实施例2的步骤，如此同样可制得轻量化的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料。相类似地，本实施例制得的高分子复合材料中亦可能含有高分子树脂的起始剂的对应单体或/及预聚体，如己二酸、聚己二酸二丁酯低聚物。

实施例4：易流动型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例1大致相同，主要的差异在于，填充材的材料从软木塞置换成废轮胎橡胶粉。以下说明其制备方法。

首先，先将795公克的三元乙丙橡胶及795公克的废轮胎橡胶粉置入混炼机中以室温、转速150rpm的条件持续搅拌一小时，使废轮胎橡胶粉均匀附着于天然橡胶上；接着，再加入1,590公克的聚氨基甲酸酯，且聚氨基甲酸酯系选择熔液流动指数(Melt Flow Index，以下称MI指数)在190℃及8.7公斤下为2.6g/10min且硬度为85A；接着，以转速150rpm持续搅拌一小时，最后并以一单螺杆押出机进行押出造粒作业，工艺条件例如可以控制在温度为180℃，螺杆转速为70rpm下进行，如此即可制得一种易流动型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料。经测量，本实施例的MI指数在同样的量测条件下提升至12.0g/10min，故本实施例的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料确实因为黏度降低而使流动性变好。顺带一提，硬度也稍微降至75A。

由此可知，本实施例利用橡胶(三元乙丙橡胶)，使填充材(废轮胎橡胶粉)最后能够均匀分散于高分子基体(聚氨基甲酸酯)中，以使最终的高分子复合材料能够兼具要求的特性(高流动性)以及加工性。此外，硬度也可被适度调降。同样地，在其他实施例中，亦可改为加入高分子基体的对应单体及起始剂。

实施例5：止滑、易成形及耐磨型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例4大致相同，主要的差异在于，填充材的材料还增加了天然石墨粉。以下说明本实施例的制备方法。

首先，将84公克的天然橡胶、84公克的废轮胎橡胶粉以及795公克的天然石墨粉加入混炼机，并在室温下，以转速150rpm持续搅拌一小时，使废轮胎橡胶粉及天然石墨粉均匀附着于橡胶上，待搅拌均匀后，加入1,590公克的聚氨基甲酸酯，并再以转速150rpm持续搅拌一小时，最后改以单螺杆押出机以180℃/70rpm的条件进行押出造粒，如此即可制得易流动型的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料。经量测，相较于单一聚氨基甲酸酯的成型时间(36秒)，本实施例的聚氨基甲酸酯系高分子复合材料的成型时间更缩短至22秒。除此之外，废轮胎橡胶粉的添加，也可提升复合材料的止滑效果，例如本实施例在后续的射出成型操作过程中，其推动力可由0.75增加至1.2公斤。至于天然石墨粉的添加，则可使本实施例的耐磨性由62.3提升至52.0mm3。

以上实施例所述的高分子基体均举聚氨基甲酸酯为例，然而，应理解的是，高分子基体可视高分子制品的需求作调整。对此，如按照加工成型特性分类，本发明的高分子基体可选用热塑性树脂或热固性树脂，前者例如有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS树脂、聚甲基丙烯酸甲酯以及热塑性聚氨基甲酸酯(thermoplastic polyurethane,TPU)等，后者则例如有酚醛树脂、聚氨酯树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。如按照聚合物主链结构分类，本发明的高分子基体则可选用聚烯烃树脂、苯乙烯系树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂、硅树脂及氟树脂等。因此，本发明的高分子基体并不限制，且亦可使用对应的单体及起始剂。以下即再举另一种高分子基体材料作说明。

实施例6：轻量型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例1大致相同，主要的差异在于，高分子基体的材料从聚氨基甲酸酯置换为聚甲基丙烯酸甲酯，且橡胶基材的种类也被置换。以下说明本实施例的制备方法。

首先，与实施例1类似，亦即先将相同重量份的苯乙烯异戊二烯橡胶及软木塞于混炼机中以相同的条件进行搅拌，使软木塞均匀附着于天然橡胶上，接着，加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且所选用的聚甲基丙烯酸甲酯的硬度为64D，比重为1.2；接着再以150rpm的转速持续搅拌一小时；最后，利用单螺杆押出机以140℃/70rpm的条件进行押出造粒作业，如此即可制得一种轻量型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料，且其硬度变为98A，比重降至0.95。可见本实施例同样可达到轻量化及加工性的要求。

实施例7：轻量型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例6所制得的材料基本上相同，主要的差异在于，本实施例在制备的过程中，参与的并非已聚合的高分子基体本身，而是其对应的单体及对应的起始剂。举例来说，本实施例选择使用聚甲基丙烯酸甲酯的对应单体及对应起始剂，亦即分别为甲基丙烯酸甲酯以及常见的聚合起始剂。另，橡胶基材在此置换为天然橡胶。以下说明本实施例的制备方法。

首先，先将1,590公克的甲基丙烯酸甲酯、1,193公克的天然橡胶、1,193公克的软木塞及3公克的聚合起始剂于混炼机中以室温及转速150rpm的条件持续搅拌一小时，接着使用单螺杆押出机以140℃/70rpm的条件进行押出造粒作业，如此即可制得一种轻量型的聚甲基丙烯酸甲酯高分子材料，且其特性接近于上述实施例6，亦即同样具有轻量化的特性。

实施例8：轻量、易加工、耐磨型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例6大致相同，主要的差异处在于，本实施例还加入了另外二种填充材，分别为轮胎橡胶粉与石墨粉，以提升最终复合材料的流动性及耐磨性。此外，亦置换了橡胶基材的种类。以下说明其制备方法。

首先，先将80公克的苯乙烯丁二烯橡胶、160公克的轮胎橡胶粉、320公克的软木塞以及80公克的石墨粉于混炼机中以室温、转速150rpm的条件持续搅拌一小时，使各填充材均匀附着于橡胶上；接着，再加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且其硬度为64D，比重为1.2，并以转速150rpm持续搅拌一小时，再使用单螺杆押出机以140℃/70rpm的条件进行押出造粒作业，如此即可制得一种轻量、易加工、耐磨型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料，且其硬度降至55D，比重降至1.1。至于流动性，其MI指数在同样的量测条件下，从4.8g/10min提升为25.6g/10min，以利加工。至于耐磨性，则可从62.3提升58.7mm3。

实施例9：轻量、易加工、耐磨型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例8的差异仅在于，填充材还增加了无机发泡剂。此外，橡胶基材进一步经过氢化。详细的，本实施例取10公克的无机发泡剂与其它填充材一同先与氢化的苯乙烯/丁二烯橡胶混炼，以使填充材均匀附着于橡胶上，之后再经由相同于实施例8的工艺后，即可制得一种更轻量、易加工、耐磨型的聚甲基丙烯酸甲酯高分子复合材料。值得一提的是，因为有了无机发泡剂的加入，使得比重更大幅下降至0.5。其次，硬度也随的降至85A，耐磨性则提升至23.6mm3。

实施例10：抗紫外线型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料及其制备方法。

本实施例与上述实施例6大致相同，主要的差异在于，填充材的材料从软木塞置换成蒙脱土。以下说明其制备方法。

首先，将80公克的天然橡胶与80公克的蒙脱土于混炼机中以室温及转速150rpm的条件持续搅拌一小时，使蒙脱土均匀附着于橡胶；接着，加入1,590公克的聚甲基丙烯酸甲酯，且其硬度为64D，比重为1.2，并再以150rpm的转速持续搅拌一小时，最后，使用单螺杆押出机以140℃/70rpm的条件进行押出造粒作业，如此即可制得一种抗紫外线型的聚甲基丙烯酸甲酯系高分子复合材料。值得一提的是，由于蒙脱土的加入，使得复合材料的抗紫外线性可获得提升。具体来说，在常温下，以波长介于240～300nm的紫外线下照射四天后，本实施例的试片只些微变黄。另一提的是，硬度也稍微提升至66D，比重则微幅升至1.3。

上述各实施例虽然仅举数种填充材为例作说明，但可以理解的是，填充材的选用与搭配，是与高分子复合材料所要求的特性有关。因此，根据所需的特性，填充材至少可选自由回收高分子材料、回收纤维、软木塞、橡胶粒、竹炭、沸石、发泡剂、木粉、黏土、榖壳、甘蔗渣、咖啡渣、茶叶渣、废报纸、硅藻土、陶瓷粉、石墨粉、石灰石以及金属粉末所组成的群组中的至少的一者，但不限于此。其中，上述回收高分子材料可以为选自由废轮胎橡胶粉、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、压克力、氟塑料、聚酰亚胺、聚碳酸酯、尼龙以及ABS塑料所组成的群组中的至少一种，惟亦不限于此。

此外，上述各实施例举天然与合成橡胶为例作说明，且其涵盖范围除了一般常见的合成橡胶之外，还可包括改质橡胶，例如接枝马林酸酐的橡胶即是一例；其中，合成橡胶例如可选自由顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、丁纳橡胶、乙丙橡胶、聚硫橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶、硅橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、三元乙丙橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶、氢化的苯乙烯/丁二烯橡胶、苯乙烯乙烯/丁烯苯乙烯橡胶以及苯乙烯异戊二烯共聚物所组成的群组中的至少一种，但不限于此。

又，如欲运用上述各实施例的高分子复合材料来制成高分子制品，可采用常见的射出成形工艺来达成，但不限于此；举凡其他成形工艺亦可，例如模压成形等。由于高分子成型工艺已为公知技艺，于此容不再赘述。

综合以上所述，本发明的高分子复合材料是至少由当中的橡胶，使填充材能够均匀附着于橡胶上，或可说是将橡胶作为增黏分散剂，使填充材最终能够均匀分散或融入高分子基体中，以使高分子复合材料可以兼具特性及加工性，从而有助于高分子复合材料及其制品的制备；同时，本发明也能够实现循环利用回收填充材，以保护生态环境。

以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效变化，理应包含在本发明的专利范围内。

Claims (28)

1.一种高分子复合材料，包含至少二种高分子基体以及分散于该些高分子基体中的填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材。

2.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其中，该些高分子基体包括至少一种树脂与该橡胶基材。

3.根据权利要求2所述的高分子复合材料，其中，该树脂包括聚氨基甲酸酯，或聚甲基丙烯酸甲酯。

4.根据权利要求3所述的高分子复合材料，其中，该聚氨基甲酸酯为热塑性聚氨基甲酸酯。

5.根据权利要求2所述的高分子复合材料，其中，包含该树脂的对应单体或/及预聚体，以及对应起始剂或/及其预聚体。

6.根据权利要求5所述的高分子复合材料，其中，该树脂为热塑性树脂。

7.根据权利要求5所述的高分子复合材料，其中，该树脂为热固性树脂。

8.根据权利要求5所述的高分子复合材料，其中，该树脂选自由聚烯烃树脂、苯乙烯系树脂、乙烯基树脂、聚氨酯树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂以及聚甲基丙烯酸酯所构成的群组中至少一种。

9.根据权利要求5所述的高分子复合材料，其中，该树脂包括聚氨基甲酸酯，且该单体包括异氰酸酯，该起始剂包括多元醇。

10.根据权利要求9所述的高分子复合材料，其中，该单体包括二苯基甲烷二异氰酸酯。

11.根据权利要求9所述的高分子复合材料，其中，该起始剂包括聚己二酸二丁酯，以及丁二醇。

12.根据权利要求11所述的高分子复合材料，其中，包含己二酸。

13.根据权利要求5所述的高分子复合材料，其中，该树脂包括聚甲基丙烯酸甲酯，且该高分子复合材料包含甲基丙烯酸甲酯单体。

14.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其中，该橡胶基材为天然橡胶。

15.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其中，该橡胶基材为合成橡胶。

16.根据权利要求1或3所述的高分子复合材料，其中，该橡胶基材包括乙丙橡胶、苯乙烯异戊二烯橡胶、苯乙烯丁二烯橡胶或氢化的苯乙烯/丁二烯橡胶。

17.根据权利要求16所述的高分子复合材料，其中，该乙丙橡胶为三元乙丙橡胶。

18.根据权利要求1所述的高分子复合材料，其中，该填充材选自于由回收高分子材料、回收纤维、软木塞、橡胶粒、竹炭、沸石、木粉、黏土、榖壳、甘蔗渣、咖啡渣、茶叶渣、废报纸、硅藻土、陶瓷粉、石墨粉、石灰石以及金属粉末所组成的群组中的至少一种。

19.根据权利要求18所述的高分子复合材料，其中，该回收高分子材料选自于由轮胎橡胶粉、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、压克力、氟塑料、聚酰亚胺、聚碳酸酯、尼龙以及ABS塑料所组成的群组中的至少一种。

20.一种高分子复合材料，包括至少二种高分子基体以及填充材，其中该些高分子基体包括橡胶基材，且该填充材是与该橡胶基材混合，以使其分散于该些高分子基体。

21.根据权利要求20所述的高分子复合材料，其中，该些高分子基体包括至少一种树脂与该橡胶基材。

22.根据权利要求21所述的高分子复合材料，其中，包含该树脂的对应单体或/及预聚体，以及对应起始剂或/及其预聚体，该填充材是由与该树脂的对应单体或/及预聚体先行混合后，再与该橡胶基材以及该树脂的对应起始剂或/及其预聚体混合，以使该填充材连同该橡胶基材分散于由该单体或/及预聚体与对应起始剂或/及其预聚体所聚合而成的树脂中。

23.根据权利要求22所述的高分子复合材料，其中，该树脂包括聚甲基丙烯酸甲酯，且其对应单体为甲基丙烯酸甲酯。

24.根据权利要求21所述的高分子复合材料，其中，包含该树脂的对应单体或/及预聚体，以及对应起始剂或/及其预聚体，该填充材是由与该树脂的对应起始剂或/及其预聚体先行混合后，再与该橡胶基材以及该树脂的对应单体或/及预聚体混合，以使该填充材连同该橡胶基材分散于由该单体或/及预聚体与对应起始剂或/及其预聚体所聚合而成的树脂中。

25.根据权利要求24所述的高分子复合材料，其中，该树脂包括聚氨基甲酸酯，且该单体包括异氰酸酯，该起始剂包括多元醇。

26.根据权利要求25所述的高分子复合材料，其中，该聚氨基甲酸酯为热塑性聚氨基甲酸酯。

27.一种高分子制品，包括权利要求1至26中任一项的高分子复合材料。

28.一种制备如权利要求1至19中任一项的高分子复合材料的制法，包括将填充材与橡胶基材混合，以使填充材分散至该些高分子基体中。