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CN117534932B - 一种具有消音的自润滑、高耐磨poe母粒及其制备方法 - Google Patents

一种具有消音的自润滑、高耐磨poe母粒及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种POE母粒，包括马来酸酐接枝改性POE 50‑70份、磺酸化二硫化钼30‑40份、空心微珠5‑10份、埃洛石纳米管10‑15份、二甲基硅油3‑5份、苯衍生物型分散剂1‑2份、抗氧化剂0.5‑1份。通过对POE进行马来酸酐、苯乙烯接枝，采用磺酸化二硫化钼作为耐磨添加剂，得到了具有优异自润滑性、高耐磨母粒；同时采用空心微珠、埃洛石纳米管对其进行增强，提高了母粒的消音性能；同时提供了一种苯衍生物型分散剂及其制备方法，得到的母粒相溶性好、增韧性强、可耐酸，碱，有机溶剂等介质，可管广泛用于食品、医疗、卫生等行业。

Description

一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒及其制备方法
技术领域
本发明属于功能高分子材料技术领域，具体涉及一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒及其制备方法。
背景技术
聚烯烃弹性体(POE)是一种以乙烯为原料，高碳α-烯烃为共聚单体在均相金属催化剂作用下聚合形成的无规共聚弹性体。POE的结构使在其常温下拥有橡胶的高弹性和韧性，在高温下塑化成型，具有热可逆性、优异的力学性能、耐候性和加工流变性能。此外，POE与聚烯烃材料亲和性能好，可有效增强低温韧性且性价比高，因而被广泛地应用于光伏电池、汽车部件、航空航天、5G/6G通信等领域。
随着性能要求的提升，也迫切需要对聚烯烃弹性体POE作出研究来提高其性能。特别是在磨损工作环境，对材料的磨损失效也越来越严重，严重制约着材料的应用，研究表明不同的创新耐磨材料有助于在未来10-15年将摩擦和磨损导致的能量损失减少约40％。
现有的POE母粒相关研究着重在耐磨性改善，而并不能兼顾POE的其他力学性能、耐化学性能，这对合金在综合性能要求较高的领域的应用带来制约。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足和需求，本发明的目的在于提供一种消音，增韧，自润滑，耐化学溶剂，高耐磨POE母粒及其制备方法，本发明制备的POE母粒具有优异的耐磨性以及自润滑性，同时具有优良的消音效果，并且相溶性好、增韧性强、抗化学腐蚀性，可耐酸、碱、有机溶剂等介质(茶溶剂除外)，具有卫生无毒优异性能，阻尼性能好。
为了实现本申请目的，本申请通过以下技术方案实现：
一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：
马来酸酐接枝改性POE 50-70份、
磺酸化二硫化钼30-40份、
空心微珠5-10份、
埃洛石纳米管10-15份、
二甲基硅油3-5份、
苯衍生物型分散剂1-2份、
抗氧化剂0.5-1份；
所述马来酸酐接枝改性POE的制备步骤为：
(1)称取40-50份聚烯烃弹性体POE、15-20份马来酸酐、5-10份苯乙烯、1-2份2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基)过氧化己烷混合均匀；
(2)将上述混合物加入到转矩流变仪中使其熔融发生接枝反应，控制接枝温度为175-180℃、反应时间为10-12min；
(3)将反应物冷却后破碎造粒备用。
所述磺酸化二硫化钼的制备步骤为：将10-15重量份、厚度为20-30nm的二硫化钼纳米片置于50-60重量份的1,3-丙烷磺内酯中超声分散均匀，加热至130-150℃回流反应5-10h；反应结束后过滤、洗涤、干燥。
本申请以马来酸酐作为主接枝剂、苯乙烯作为辅助接枝剂，采用熔融接枝方式，有效的提高界面相容性以及韧性。苯乙烯对聚烯烃弹性体的自由基反应活性高于马来酸酐，苯乙烯优先接枝到聚烯烃弹性体上形成稳定的大分子自由基，能够提高整体的接枝率，并且苯乙烯的苯环结构对也可以提高聚烯烃弹性体的耐热性、耐化学性，同时也能够提升缺口冲击强度等力学性能。
进一步地，所述马来酸酐接枝改性POE的重均分子量为55000-60000、接枝率为2.7-3.5。
由于二硫化钼的分散性差，在母粒熔炼的过程中团聚，导致在母粒中分散不均匀影响其性能。本申请采用1,3-丙烷磺内酯对其预处理，使其表面修饰了磺酸基团，一方面能够提高二硫化钼的分散性，并且极性磺酸基团在熔炼过程中更容易与聚烯烃弹性体的基团形成化学键，加强了两者之间的结合，能够提高POE母粒的耐磨性。
进一步地，所述苯衍生物型分散剂的制备步骤为：将10-15重量份的4-十六烷基苯酚溶解于30-40重量份的二甲苯溶剂中，搅拌的过程中加入4-5重量份的γ-巯丙基三甲氧基硅烷；通入惰性气体、并将反应器的温度升高至80-90℃，缓慢加入3-4重量份的二羟基聚醚；继续反应3-5h；反应结束后向反应器中加入足量的氢氧化钠溶液去除部分开环的低聚物；分离有机相并干燥，真空蒸发去除溶剂得到黄色液体的分散剂。
在母粒的制备中，分散剂的选择对性能的影响较为明显，适配的分散剂能够确保母粒的性能不会劣化，现有技术中也存在性能良好的分散剂。本申请在研究的过程中也开发了一种良好的分散剂，与现有分散剂性能相当。
本申请中，埃洛石纳米管一方面能够作为填料提高POE母粒的机械性能，另外一方面其也可以发挥阻燃的作用，有效提高POE母粒的阻燃性。
进一步地，所述抗氧化剂为十八烷基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]和/或3,3'-硫代二丙酸双十八酯。
进一步地，所述POE母粒还包括阻燃剂、抗静电剂中的一种或两种。
聚类弹性体本身就有一定的消音属性，并且由于二硫化钼纳米片的层状结构、以及空心微珠的空心结构对音波具有消减、吸收作用，从而实现材料的消音效果。
进一步地，所述空心微珠粉末的粒度为10-20μm、比表面积为650-700m2·g-1。
进一步地，所述POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：
马来酸酐接枝改性POE 55-65份、
磺酸化二硫化钼33-36份、
空心微珠7-8份、
埃洛石纳米管12-13份、
二甲基硅油4-5份、
苯衍生物型分散剂1.5-2份、
抗氧化剂0.7-0.8份。
一种上述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段90-120℃、第二段100-125℃、第三段120-135℃、第四段100-125℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
进一步地，所述步骤(2)中高温密炼温度控制在100-110℃。
采用二甲基硅油预先处理磺酸改性二硫化钼以及空心微珠、埃洛石纳米管作A料，使蓬松的二硫化钼密实，避免了粉尘飘扬；采用马来酸酐接枝改性POE作B料，解决了耐磨制品对耐磨母粒的载体选型，解决对材料的物理性能下降，不相熔，产品表面分散上出现瑕疵等问题。通过将A料、B料在螺杆挤出机高温强减切挤出造粒而成耐磨母料。所述高耐磨母粒在热性树脂可直接加入母粒注塑，改性造粒，板材，二硫化钼浓度高、易于分散、添加量少、极大地方避免场地粉尘污染、便与生产。
一种上述POE母粒在PA、PC、ABS、PET、PBT、UPE、PTEE等合金材料中的应用。
相对于现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)釆用厚度为20-30nm、直径为200-300nm的二硫化钼纳米片粉末固体，呈六方晶系层状结构，层内原子间结合力强，层与层的原子之间结合力弱。易沿层间解理，分离出薄层，从而具有降低和稳定摩擦因数，且带自润滑的作用；其具有优异的极压抗磨性能、摩擦系数在0.05-0.09之间，具有抗氧化、承载能力强、耐腐蚀性能高等优点，并通过磺酸化改性显著提高了其分散性。
(2)采用马来酸酐、苯乙烯接枝POE为改性料作为母粒基材，具有既有优异的韧性又有良好的加工性、优良的耐老化性能、较好的流动性、相容性；可改善分散效果，同时可提高制品的力学性能。采用马来酸酐接枝POE为改性料为基材可以成为增进极性材料与非极性材料的粘接性和相容性的桥梁，比没有接枝的纯POE增韧效果好的多，更适用于PA/PE、PA/PP，可大大提高合金的韧性；在PA、PC、ABS、PET、PBT、UPE、PTEE等合金材料上的相容性与增韧效果极佳。
(3)本申请采用二甲基硅油作为助剂，其具有良好化学稳定性、绝緣性、疏水性。并且能够显著降低生产过程中粉尘污染。
(4)本申请还提供了一种苯衍生物型分散剂，与现有分散剂性能相当。
(5)本申请制备得到的POE母粒具有优异的耐磨性以及自润滑性，同时具有优良的消音效果，并且相溶性好、增韧性强、抗化学腐蚀性，可耐酸、碱、有机溶剂等介质(茶溶剂除外)，具有卫生无毒优异性能，阻尼性能好。可广泛用于食品、医疗、卫生行业。
附图说明
图1为实施例1制备的马来酸酐接枝改性POE的红外光谱图。
图2为实施例1制备的苯衍生物型分散剂的红外光谱图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
原料的准备：POE、苯乙烯购买的是美国陶氏化学公司产品。空心微珠为空心玻璃微珠，粉末的粒度为10-20μm、比表面积为650-700m2·g-1，从温州市维真新材料有限公司购买。二硫化钼纳米片购买的是苏州凯发新材料科技有限公司产品，所述二硫化钼纳米片的厚度为10-15nm、直径为300-400nm范围内
1、马来酸酐接枝改性POE的制备步骤为：
(1)称取46份聚烯烃弹性体POE、18份马来酸酐、6份苯乙烯、1.3份2,5-甲基-2,5-二(叔丁基)过氧化己烷混合均匀；(2)将上述混合物加入到转矩流变仪中使其熔融发生接枝反应，控制接枝温度为180℃、反应时间为11min；(3)将反应物冷却后破碎造粒备用。
2、磺酸化二硫化钼的制备步骤为：将13重量份、厚度为20-30nm、直径为200-300nm的二硫化钼纳米片置于55重量份的1,3-丙烷磺内酯中超声分散均匀，加热至145℃回流反应8h；反应结束后过滤、洗涤、干燥。
3、苯衍生物型分散剂的制备步骤为：将12重量份的4-十六烷基苯酚溶解于36重量份的二甲苯溶剂中，搅拌的过程中加入4.4重量份的γ-巯丙基三甲氧基硅烷；通入惰性气体、并将反应器的温度升高至86℃，缓慢加入3.7重量份的二羟基聚醚；继续反应4h；反应结束后向反应器中加入足量的氢氧化钠溶液去除部分开环的低聚物；分离有机相并干燥，真空蒸发去除溶剂得到黄色液体的分散剂。
对制备得到的马来酸酐接枝改性POE压片制样并进行红外表征，扫描波长范围在4500-450cm-1。由红外光谱分析可知，马来酸酐、苯乙烯成功接枝到POE基体上。通过化学滴定法侧得接枝率为2.9，采用粘度法测量得到重均分子量为56700。
对制备得到的苯衍生物型分散剂压片制样并进行红外表征，扫描波长范围在4000-500cm-1。
图2的红外光谱图示出了苯衍生物的特征吸收带，其位于931cm-1和1229cm-1；在1460cm-1、1509cm-1、1582cm-1处观察到双峰。1609cm-1、2929cm-1、3035cm-1主要是由于非对称性和对称性引起的苯环的CH2以及烷基的伸缩振动。
没有特殊说明，以下实施例所采用的原料为实施例1制备的。
实施例2
一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：马来酸酐接枝改性POE 50份、磺酸化二硫化钼30份、空心微珠5份、埃洛石纳米管10份、二甲基硅油3份、苯衍生物型分散剂1份、十八烷基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]0.5份。
上述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀，温度控制在100℃；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段120℃、第二段125℃、第三段135℃、第四段125℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
实施例3
一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：马来酸酐接枝改性POE 70份、磺酸化二硫化钼40份、空心微珠10份、埃洛石纳米管15份、二甲基硅油5份、苯衍生物型分散剂2份、3,3'-硫代二丙酸双十八酯1份。
上述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀，温度控制在110℃；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段90℃、第二段100℃、第三段120℃、第四段100℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
实施例4
一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：马来酸酐接枝改性POE 60份、磺酸化二硫化钼35份、空心微珠7份、埃洛石纳米管13份、二甲基硅油4份、苯衍生物型分散剂1.5份、十八烷基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]0.7份。
上述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀，温度控制在105℃；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段100℃、第二段120℃、第三段130℃、第四段120℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
实施例5
一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：马来酸酐接枝改性POE 65份、磺酸化二硫化钼33份、空心微珠8份、埃洛石纳米管12份、二甲基硅油4.5份、苯衍生物型分散剂1.8份、3,3'-硫代二丙酸双十八酯0.8份。
上述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀，温度控制在105℃；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段110℃、第二段125℃、第三段125℃、第四段110℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
对实施例2-5制备得到的POE母粒进行性能测试：
摩擦磨损性能根据GB/T 3960―2016标准进行测试，样品大小为30×7×6mm、载荷为30kg、传动速度为200r·min-1、不锈钢摩擦环φ40×φ16×10mm。弯曲强度根据国标GB/T9341-2008、冲击强度根据GB/T1843-80进行测试。阻燃性能根据UL94测试，样品厚度为3.2mm。
耐化学物质性能测试：将试样置于稀盐酸(17wt.％)、氢氧化钠溶液(20wt.％)、甲苯、乙醇中，记录试样表面变色、溶胀的时间。
消音性能测试根据GB/T14369-1993进行测试所述POE母粒的消音系数。将POE母粒熔融制成厚度为5mm的板。
以上实验数据记录于表1。
表1
由上述数据可知，本申请制备的POE母粒具有较低的摩擦系数、磨损量，表现出了自润滑、耐磨特性。耐化学物质性能测试也显示出了优异的耐化学性能，具有抗化学腐蚀性，可耐酸、碱、有机溶剂等介质。缺口冲击强度达到6kJ·m-2，表现出优异的抗冲击性能，在收到外力冲击下，会产生较大的塑性形变。根据消音降噪指数可知，POE母粒的消音系数可达50％以上，表现出良好的消音效果。此外，POE母粒的阻燃等级达到UL94 V0级，具有优异的阻燃性。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，按照重量份计，包括以下原料：
马来酸酐接枝改性POE 50-70份
磺酸化二硫化钼30-40份
空心微珠5-10份、
埃洛石纳米管10-15份
二甲基硅油3-5份
苯衍生物型分散剂1-2份
抗氧化剂0.5-1份
所述马来酸酐接枝改性POE的制备步骤为：
(1)称取40-50份聚烯烃弹性体POE、15-20份马来酸酐、5-10份苯乙烯、1-2份2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基)过氧化己烷混合均匀；
(2)将上述混合物加入到转矩流变仪中使其熔融发生接枝反应，控制接枝温度为175-180℃、反应时间为10-12min；
(3)将反应物冷却后破碎造粒备用；
所述磺酸化二硫化钼的制备步骤为：将10-15重量份、厚度为20-30nm、直径为200-300nm的二硫化钼纳米片置于50-60重量份的1,3-丙烷磺内酯中超声分散均匀，加热至130-150℃回流反应5-10h；反应结束后过滤、洗涤、干燥；
所述苯衍生物型分散剂的制备步骤为：将10-15重量份的4-十六烷基苯酚溶解于30-40重量份的二甲苯溶剂中，搅拌的过程中加入4-5重量份的γ-巯丙基三甲氧基硅烷；通入惰性气体、并将反应器的温度升高至80-90℃，缓慢加入3-4重量份的二羟基聚醚；继续反应3-5h；反应结束后向反应器中加入足量的氢氧化钠溶液；分离有机相并干燥，真空蒸发去除溶剂得到黄色液体的分散剂。
2.根据权利要求1所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，所述马来酸酐接枝改性POE的重均分子量为55000-60000、接枝率为2.7-3.5%。
3.根据权利要求1或2所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，所述抗氧化剂为十八烷基-3-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]和/或3,3'-硫代二丙酸双十八酯。
4.根据权利要求1或2所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，所述空心微珠粉末的粒度为10-20μm、比表面积为650-700m2·g-1。
5.根据权利要求1或2所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，所述POE母粒还包括阻燃剂、抗静电剂中的一种或两种。
6.根据权利要求5所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒，其特征在于，所述POE母粒，按照重量份计，包括以下原料：
马来酸酐接枝改性POE 55-65份
磺酸化二硫化钼33-36份
空心微珠7-8份
埃洛石纳米管12-13份
二甲基硅油4-5份
苯衍生物型分散剂1.5-2份
抗氧化剂0.7-0.8份。
7.一种如权利要求1-6任一项所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照配比称取各原料备用；
(2)将磺酸化二硫化钼、空心微珠、埃洛石纳米管倒入至容器中，并加入二甲基硅油、苯衍生物型分散剂，缓慢搅拌均匀作为A料；将抗氧化剂加入至马来酸酐接枝改性POE中混合均匀作为B料；
(3)将A料、B料加入到连续式密炼机中，经高温密炼均匀；
(4)随即经自动提升机送入螺杆挤出机，螺杆挤出机的温度设置为：第一段90-120℃、第二段100-125℃、第三段120-135℃、第四段100-125℃、第五段100℃；经螺杆挤出机挤出，风冷切粒，得到所述POE母粒。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中高温密炼温度控制在100-110℃。
9.一种如权利要求1-6任一项所述具有消音的自润滑、高耐磨POE母粒在PA、PC、ABS、PET、PBT、UPE、PTEE合金材料中的应用。
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