CN114381066A - 一种超亲水聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超亲水聚丙烯复合材料及其制备方法，涉及高分子复合材料技术领域。按质量百分数计算，超亲水聚丙烯复合材料包括24％～60％的聚丙烯、10％～20％的热塑性聚氨酯橡胶、10％～15％的玉米淀粉、10％～15％的氢氧化铝、5％～10％的马来酸酐接枝聚丙烯、3％～10％的亲水剂和1～3％的分散剂。本发明的超亲水聚丙烯复合材料，能够大幅度降低超亲水聚丙烯复合材料的水接触角，从而有效改善超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能，解决了目前聚丙烯树脂亲水能力差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高分子复合材料技术领域，尤其涉及一种超亲水聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯简称PP，是一种性能优异、用途广泛的通用塑料，在包装、电器、化工、家电等行业都有广泛应，以聚丙烯为原料的薄膜、纤维以及非制造布、片材等各种制品，在生活与工业生产中被大量应用，但由于聚丙烯极性弱，表面能低，亲水能力较差，很大程度限制了聚丙烯材料在纺织、建筑等工业领域的应用。若聚丙烯亲水性能提升，在纺织领域可增强其染色性能，增强服装服饰的舒适性；在工业领域，可增强其与混凝土的结合力以提升混凝土的综合力学性能。由此可见，提升聚丙烯的亲水性能具有非常重要和深远的意义。
聚丙烯树脂与水的接触角一般是100～110°，属于疏水材料，目前聚丙烯亲水改性的方法一般有共混、等离子体表面处理、等离子体聚合、辐射交联、表面接枝等方法，但均存在各种各样的缺陷，难以大幅度提高聚丙烯的亲水性能。
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提出一种超亲水聚丙烯复合材料，能够大幅度降低超亲水聚丙烯复合材料的水接触角，从而有效改善超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能，解决了目前聚丙烯树脂亲水能力差的问题。
本发明的另一目的在于提出一种超亲水聚丙烯复合材料的制备方法，制备方法简单，容易实现工业化生产。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种超亲水聚丙烯复合材料，按质量百分数计算，包括24％～60％的聚丙烯、10％～20％的热塑性聚氨酯橡胶、10％～15％的玉米淀粉、10％～15％的氢氧化铝、5％～10％的马来酸酐接枝聚丙烯、3％～10％的亲水剂和1～3％的抗氧剂1010和168、PE蜡、PP蜡、芥酸酰胺中的一种或多种。
进一步的，所述亲水剂为脂肪酸羟基乙烷磺酸盐。
进一步的，所述分散剂为PE蜡、芥酸酰胺、PP蜡和硬脂酸中的任意一种或多种的组合。
进一步的，所述聚丙烯的熔体流动速率为20～30g/10min。
进一步的，所述氢氧化铝的粒径2000目～5000目。
进一步的，所述马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为0.8％～2.0％。
进一步的，按分子结构分类，所述热塑性聚氨酯橡胶为聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶。
进一步的，按质量百分数计算，所述超亲水聚丙烯复合材料还包括1～3％的其他助剂。
一种超亲水聚丙烯复合材料的制备方法，用于制备上述的超亲水聚丙烯复合材料，按配方将各原料均匀混合后，在180～230℃的温度下挤出造粒，得到超亲水聚丙烯复合材料。
本发明的有益效果为：本技术方案超亲水聚丙烯复合材料，通过在聚丙烯中加入亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉、马来酸酐接枝聚丙烯和热塑性聚氨酯橡胶，各成分之间协同作用，共同改善材料的表面能，提升材料极性，从而大幅度提升聚丙烯复合材料的亲水性能。其中，亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉表面均存在吸水能力强的羟基，且亲水剂、氢氧化铝和玉米淀粉之间相容性好，同时添加可以起到互补效果，而热塑性聚氨酯橡胶(简称TPU)跟聚丙烯相容性较好，同时TPU表面存在吸湿性强的羟基，不仅本身吸水性好，而且能在亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉和聚丙烯之间起到桥梁作用，使们它之间能够牢牢捆绑在一起，提升的吸超亲水聚丙烯复合材料水性；同时，添加马来酸酐接枝聚丙烯(简称PP-g-MAH)能有效提升各组分的相容性，使马来酸酐接枝聚丙烯的吸湿性能够更加长久有效。
具体实施方式
下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
一种超亲水聚丙烯复合材料，按质量百分数计算，包括24％～60％的聚丙烯、10％～20％的热塑性聚氨酯橡胶、10％～15％的玉米淀粉、10％～15％的氢氧化铝、5％～10％的马来酸酐接枝聚丙烯、3％～10％的亲水剂和1～3％的抗氧剂1010和168、PE蜡、PP蜡、芥酸酰胺中的一种或多种。
由于聚丙烯极性弱，亲水能力较差，很大程度限制了聚丙烯材料在纺织、建筑等工业领域的应用，且目前聚丙烯亲水改性的方法难以大幅度提高聚丙烯的亲水性能。
为了解决上述问题，本技术方案提供一种超亲水聚丙烯复合材料，通过在聚丙烯中加入亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉、马来酸酐接枝聚丙烯和热塑性聚氨酯橡胶，各成分之间协同作用，共同改善材料的表面能，提升材料极性，从而大幅度提升聚丙烯复合材料的亲水性能。其中，亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉表面均存在吸水能力强的羟基，且亲水剂、氢氧化铝和玉米淀粉之间相容性好，同时添加可以起到互补效果，而热塑性聚氨酯橡胶(简称TPU)跟聚丙烯相容性较好，同时TPU表面存在吸湿性强的羟基，不仅本身吸水性好，而且能在亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉和聚丙烯之间起到桥梁作用，使们它之间能够牢牢捆绑在一起，提升的吸超亲水聚丙烯复合材料水性；同时，添加马来酸酐接枝聚丙烯(简称PP-g-MAH)能有效提升各组分的相容性，使马来酸酐接枝聚丙烯的吸湿性能够更加长久有效。
具体来说，本技术方案添加10～20％的热塑性聚氨酯橡胶(TPU)，TPU是与异氰酸酯反应的氨酯硬链段与聚酯或聚醚软链段相互嵌段结合的热塑性聚氨酯橡胶。TPU的单体中含有多元醇，醇具有很强的亲水性，而且，TPU的分子结构中含有许多亲水基团，使得TPU具有强亲水性，此外，TPU中含有橡胶段能与聚丙烯具有很好的相容性。因此，本技术方案的超亲水聚丙烯复合材料添加TPU不仅能够很好的改善材料的亲水性能，还能增加材料的韧性和延展性。
本技术方案在超亲水聚丙烯复合材料中添加10～15％的玉米淀粉，玉米淀粉中含有大量的羟基，使得玉米淀粉具有非常强的亲水性能，可以大幅度降低材料表面能，提升材料的亲水性，此外，玉米淀粉属于可降解材料，对环境可以起到很好的保护作用。本技术方案在超亲水聚丙烯复合材料添加有10％～15％的氢氧化铝，氢氧化铝是一种无机物，化学式Al(OH)3，氢氧化铝表面都是羟基，具有非常强的表面活性，能够较好地降低超亲水聚丙烯复合材料的表面能，增加超亲水聚丙烯复合材料亲水性，此外，氢氧化铝和玉米淀粉作为填充材料，能很好地降低材料的收缩率，增加材料的刚性和强度。
本技术方案的超亲水聚丙烯复合材料中添加有5％～15％的马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)，PP-g-MAH的一端为PP基团，PP基团能跟聚丙烯完全相容，另一端为活性极高的马来酸酐，不仅能增加超亲水聚丙烯复合材料亲水性，而且马来酸酐能够跟玉米淀粉、氢氧化铝、TPU、亲水剂中的羟基很好的融合，从而在玉米淀粉、氢氧化铝、TPU、亲水剂和聚丙烯之间起到良好的桥梁作用，将各组分之间能够紧紧捆绑在一起，大幅度提升它们之间的相容性，从而提升超亲水聚丙烯复合材料的整体性能，从而保证超亲水聚丙烯复合材料吸水的长效性。
本技术方案的超亲水聚丙烯复合材料中还添加有1％～3％的抗氧剂1010和168、PE蜡、PP蜡、芥酸酰胺中的一种或多种，能够有效避免玉米淀粉和氢氧化铝产生团聚，提升超亲水聚丙烯复合材料的力学性能。
值得说明的是，在本技术方案的配方范围内，超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能随着亲水剂、马来酸酐接枝聚丙烯、TPU、玉米淀粉、氢氧化铝含量的增加而明显增加，而且亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉表面均存在吸水能力强的羟基，他们之间相容性好，一起添加可以起到互补效果，而TPU本身跟PP相容性较好，同时表面存在吸湿性强的羟基，不仅本身吸水性好，而且能在亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉和聚丙烯之间起到桥梁作用，使他们之间能够牢牢捆绑在一起，提升材料的吸水性，添加PP-g-MAH能够提升各组分相容性，使材料的吸湿性能够更加长久有效，它们之间相互存在协同加成效果，能够大幅度降低超亲水聚丙烯复合材料的水接触角，从而大大改善超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能。
优选的，本技术方案中的的玉米淀粉为工业级，未表面处理过的，具有吸湿性好的优点。
进一步的说明，亲水剂为脂肪酸羟基乙烷磺酸盐。
值得说明的是，本技术方案采用脂肪酸羟基乙烷磺酸盐作为亲水剂，脂肪酸羟基乙烷磺酸盐属于表面活性剂，添加在超亲水聚丙烯复合材料中可以显著降低液体表面张力。脂肪酸羟基乙烷磺酸盐的分子结构由两部分组成，分子的一端为非极性基团，使得脂肪酸羟基乙烷磺酸盐可以和非极性聚丙烯具有良好的相容性，分子另一端为极性亲水基团，具有非常优异的亲水性能，而且，脂肪酸羟基乙烷磺酸盐是一种温和的阴离子表面活性剂，具有水界面张力低，良好的分散和增溶能力，优良的渗透和润湿分散性能，能够极大提升超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能。
进一步的说明，分散剂为PE蜡、芥酸酰胺、PP蜡和硬脂酸中的任意一种或多种的组合。
值得说明的是，本技术方案的分散剂选用PE蜡、芥酸酰胺、PP蜡和硬脂酸中的任意一种或多种的组合，这些分散剂的分散效果好，能使氢氧化铝、玉米淀粉这些无机填充物均匀分散在复合材料中，能够明显提升超亲水聚丙烯复合材料的吸水性能，另一方面这些分散剂跟聚丙烯和热塑性聚氨酯橡胶的相容性好，能够提升超亲水聚丙烯复合材料吸水的长效性。
进一步的说明，聚丙烯的熔体流动速率为20～30g/10min。
具体来说，本技术方案选用熔体流动速率为20～30g/10min的聚丙烯，有利于分散，若聚丙烯的熔体流动速率小于20g/10min，聚丙烯的分散速度较慢。
进一步的说明，氢氧化铝的粒径为2000目～5000目。
值得说明的是，本技术方案中氢氧化铝的粒径2000目～5000目。粒径太小容易团聚，粒径太大力学性能太差，改为2000目～5000目。若氢氧化铝的目数小于2000目会导致复合材料的力学性能大幅度下降，产品容易脆裂；若氢氧化铝的目数大于5000目，氢氧化铝颗粒过细，容易团聚。
进一步的说明，马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为0.8％～2.0％。
值得说明的是，马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为0.8％～2.0％时效果最佳。当马来酸酐接枝聚丙烯中接枝马来酸酐较多，使得马来酸酐接枝聚丙烯的中PP含量较低，反而影响马来酸酐接枝聚丙烯的捆绑效果，各项性能反而有所下降；若马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率小于0.8％，接枝率较低，使得马来酸酐接枝聚丙烯的活性较低，亲水性也较差。
进一步的说明，按分子结构分类，热塑性聚氨酯橡胶为聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶。
具体的，本技术方案中的热塑性聚氨酯橡胶为聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶，具有吸湿速度快且含水量高的优点，而且，相对于聚酯型的热塑性聚氨酯橡胶，聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶具备更好的耐水解性能、耐低温性能和耐弯曲性能，能够更加有效的提升超亲水聚丙烯复合材料的亲水性。
进一步的说明，按质量百分数计算，超亲水聚丙烯复合材料还包括1～3％的其他助剂。
一种超亲水聚丙烯复合材料的制备方法，用于制备上述的超亲水聚丙烯复合材料，按配方将各原料均匀混合后，在180～230℃的温度下挤出造粒，得到超亲水聚丙烯复合材料。
具体来说，超亲水聚丙烯复合材料的制备方法如下：按配方将各原料均匀混合后，由双螺杆挤出机第一段筒体加料段加入到双螺杆挤出机，并在180～500转/分的转速和180～230℃的温度下挤出造粒，便可得到超亲水聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机的长径比为32～68。
下面结合具体实施例和对比例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1～5
一种超亲水聚丙烯复合材料，按质量百分数计算，包括24％～60％的聚丙烯、10％～20％的热塑性聚氨酯橡胶、10％～15％的玉米淀粉、10％～15％的氢氧化铝、5％～10％的马来酸酐接枝聚丙烯、3％～10％的亲水剂、1～3％的分散剂和1～3％的其他助剂。其中，亲水剂为脂肪酸羟基乙烷磺酸盐；分散剂由芥酸酰胺和PP蜡组成；聚丙烯的熔体流动速率为25g/10min；氢氧化铝的粒径为4000目；热塑性聚氨酯橡胶为聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶；马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为0.8％。
超亲水聚丙烯复合材料的制备方法如下，按下表1配方将各原料均匀混合后，由双螺杆挤出机的第一段筒体加料段加入到双螺杆挤出机，并在300转/分的转速和205℃的温度下挤出造粒，得到超亲水聚丙烯复合材料，其中，双螺杆挤出机的长径比为48。
对比例1～3
具体的，对比例1～3的超亲水聚丙烯复合材料的制备方法和实施例1的制备方法基本相同，不同在于超亲水聚丙烯复合材料的配方比不同。
具体的，实施例1～5和对比例1～3的超亲水聚丙烯复合材料的配方如下表1所示。
表1 实施例1～5和对比例1～3的配方
具体来说，根据下面表2的测试方法，检测实施例1-5和对比例1-3制备得到的超亲水聚丙烯复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量、缺口冲击强度、熔融指数、水接触角和密度，检测结果如下表2所示。
表2 实施例1～5和对比例1～3的检测结果
由表2的检测结果可知，超亲水聚丙烯复合材料的亲水性能随着亲水剂、马来酸酐接枝聚丙烯、TPU、玉米淀粉、氢氧化铝含量的增加而明显增加，而且亲水剂、氢氧化铝、玉米淀粉表面均存在吸水能力强的羟基，他们之间相容性好，它们之间相互存在协同加成效果，能够大幅度降低复合材料的水接触角；由实施例2的检测结果可知，随着亲水剂含量的降低，复合材料的力学性能影响不大，但水接触角明显上升；由实施例3的检测结果可知，随着TPU的降低，复合材料的韧性和延展性有明显降低，但是强度有所上升，而且水接触角也明显上升；由实施例4的检测结果可知，随着马来酸酐接枝聚丙烯的添加量降低，复合材料的各项力学性能出现下降，而且水接触角也有所上升，可见马来酸酐接枝聚丙烯对材料各成分之间能起到很好的相容作用；由实施例5的检测结果可知，随着玉米淀粉、氢氧化铝含量的降低，复合材料的强度明显降低，韧性有所上升，而且水接触角也明显上升；从对比例1的检测结果可知，若仅采用聚丙烯，虽然强度较高，但是接触角非常大，为108.1°；从实施例1和对比例2的检测结果可知，随着分散剂的增加，复合材料的各项性能有较为明显增加，可见分散剂可以有效避免玉米淀粉、氢氧化铝产生团聚，有效改善复合材料的综合性能；由对比例3的检测结果可知，当若仅在聚丙烯中添加亲水剂和TPU，则改善聚丙烯亲水性能的效果不明显。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，按质量百分数计算，包括24％～60％的聚丙烯、10％～20％的热塑性聚氨酯橡胶、10％～15％的玉米淀粉、10％～15％的氢氧化铝、5％～10％的马来酸酐接枝聚丙烯、3％～10％的亲水剂和1～3％的分散剂。
2.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，所述亲水剂为脂肪酸羟基乙烷磺酸盐。
3.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，所述分散剂为PE蜡、芥酸酰胺、PP蜡和硬脂酸中的任意一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，所述聚丙烯的熔体流动速率为20～30g/10min。
5.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，所述氢氧化铝的粒径为2000目～5000目。
6.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，所述马来酸酐接枝聚丙烯的接枝率为0.8％～2.0％。
7.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，按分子结构分类，所述热塑性聚氨酯橡胶为聚醚型的热塑性聚氨酯橡胶。
8.根据权利要求1所述的超亲水聚丙烯复合材料，其特征在于，按质量百分数计算，所述超亲水聚丙烯复合材料还包括1～3％的抗氧剂1010和168、PE蜡、PP蜡、芥酸酰胺中的一种或多种。
9.一种超亲水聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-8任意一项所述的超亲水聚丙烯复合材料，按配方将各原料均匀混合后，在180～230℃的温度下挤出造粒，得到超亲水聚丙烯复合材料。
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