一种高取向晶须增强工程塑料树脂复合材料及制备方法与流程

本发明属于聚合物与无机晶须改性复合材料领域，具体涉及一种高取向晶须增强工程塑料树脂复合材料及制备方法。

背景技术：

1、硫酸钙晶须是一种细小纤维状的亚纳米材料，具有高长径比，高强度的一维单晶体，具有均匀的横截面、完整的外形、完善的内部结构、稳定的尺寸的纤维状单晶体，具有十分优良的力学性能和物理性能、价格低廉的新型功能材料。硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、高耐磨、耐高温、环保无毒等诸多优良的性能。硫酸钙晶须大量用于工程塑料的增强、增韧，主要包括尼龙66、abs、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯等，硫酸钙晶须机械强度大，它在材料破裂过程中能够有效抑制裂纹扩展，而且纤维状物质能够吸收冲击能量，从而起到缓冲作用。但硫酸钙晶须的分布是杂乱无章的，添加到塑料中也是无规分布的，晶须杂乱排布不能充分地发挥出晶须的增强作用。如果能使晶须高度取向，定向分布，才能发挥出晶须的高增强作用。

技术实现思路

1、为解决晶须的定向分布，本发明提供一种高取向晶须增强工程塑料树脂复合材料及制备方法，即采用定向分布的硫酸钙晶须，晶须按流动方向排列，并添加于被增强的工程塑料基材中，用于挤出、注塑等高温加工成型，在成型过程中能保持晶须的定向分布。本发明制备方法操作简单易行，所用原料成本低廉，能够快速工业化生产。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种高取向晶须增强工程塑料树脂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、第一步：

5、将硫酸钙晶须、六偏磷酸钠、水加入到带有搅拌器、加热器、真空泵的容器中，升温至80℃，充分搅拌，中速搅拌，搅拌速度100-200转/分钟，使硫酸钙晶须均匀地分散在水中；

6、第二步：

7、把第一步混合均匀的硫酸钙晶须溶液继续搅拌，开启高速搅拌，搅拌速度500-800转/分钟，搅拌10-15分钟，降温至常温；在高速搅拌下，由于硫酸钙晶须几何上不对称，具有一定的长径比，溶解在水中的硫酸钙晶须沿流动方向上高度取向；

8、第三步：

9、把第二步容器的搅拌速度调整为中速，100-200转/分钟，向容器中加入羧甲基纤维素树脂，继续搅拌，缓慢升温至50℃，加入丙烯酸、过硫酸铵，继续搅拌，最后缓慢加入n,n'-亚甲基双丙烯酰胺，缓慢升温至80℃，继续搅拌，待容器中液体的粘度上升，缓慢搅拌，搅拌速度20-30转/分钟，待容器中的液体变为水凝胶状，停止搅拌；

10、第四步：

11、将第三步生成的水凝胶在容器中继续升温至140℃，继续烘干，并抽真空，把水凝胶内部的水分彻底蒸发；

12、第五步：

13、容器中的水凝胶水分蒸发完后，降至室温，容器中水凝胶成为干燥的固体状物质，把该固体物从容器中卸出来，直接用破碎机破碎成3mm×3mm×3mm的块状物，然后将块状物加入到液氮低温粉碎机在-70℃以下进行粉碎，粉碎成细度300目粉料；

14、第六步：

15、将第五步制备的粉料、工程塑料树脂、润滑剂通过双螺杆挤出造粒机挤出造粒，制备工程塑料用高取向晶须增强复合材料。

16、进一步，所述第一步中硫酸钙晶须、六偏磷酸钠、水的质量比为：120-140:0.8-1:800-1000。

17、进一步，所述第三步中向容器中加入的羧甲基纤维素树脂、丙烯酸、过硫酸铵、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为：80-100:260-300:4.2-5:7.2-8.4。更进一步，与硫酸钙晶须的质量比为：硫酸钙晶须:羧甲基纤维素树脂:丙烯酸:过硫酸铵:n,n'-亚甲基双丙烯酰胺为：120-140:80-100:260-300:4.2-5:7.2-8.4。

18、进一步，所述第六步中粉料、工程塑料树脂、润滑剂的质量比为：90-100:10-20:1-2。

19、进一步，所述工程塑料树脂为尼龙66、abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯中的一种，树脂的熔融指数在8-15g/10min之间。

20、进一步，所述润滑剂为季戊四醇硬脂酸酯或聚乙烯蜡。

21、进一步，所述第六步中挤出造粒工艺温度为：一区180±5℃，二区190±5℃，三区210±5℃，四区220±5℃，五区220±5℃，六区220±5℃，机头225±5℃。

22、一种高取向晶须增强工程塑料树脂复合材料是通过上述制备方法制备得到，添加于被增强的工程塑料基材中。

23、本发明所用主要原材料说明：

24、硫酸钙晶须：白色粉末，柱状纤维，平均直径为1-2μm，长度100-150μm，长径比50-150；常态下的分布图如图1所示；

25、六偏磷酸钠：白色结晶性粉末，分散剂；

26、羧甲基纤维素树脂：白色粉末，制备高吸水水凝胶树脂；也作为硫酸钙晶须的分散剂；

27、丙烯酸：无色液体，交联聚合单体；

28、过硫酸铵：白色结晶性粉末，交联引发剂；

29、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺：白色粉末状结晶，交联剂；

30、工程塑料树脂：包括：尼龙66、abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯，树脂的熔融指数在8-15g/10min之间；

31、润滑剂：季戊四醇硬脂酸酯、聚乙烯蜡。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

33、1、普通硫酸钙晶须对塑料的改性，硫酸钙晶须在基材中的分布是杂乱无章的，虽然达到了一定的增强增韧效果，但不能充分发挥晶须的增强作用。本发明采用的制备方法，硫酸钙晶须在基材中是有序分布的，高度取向的，定向分布的，能够最大限度发挥出晶须的高增强增韧作用。

34、2、硫酸钙晶须在高速搅拌的液体中，由于硫酸钙晶须几何上不对称，具有一定的长径比，溶解在水中的硫酸钙晶须沿流动方向上高度取向。由于在水凝胶形成的过程中，容器中的液体是一直高速流动的，硫酸钙晶须的高度取向一直保持着，随着水凝胶的形成，晶须的这种高度取向，规则分布被固定，被保留下来。水凝胶的形成，羧甲基纤维素树脂发生了化学交联，分子之间形成了交联的网络结构，水分子与硫酸钙晶须被固定在网络结构中。

35、3、对交联的水凝胶加热烘干，是为了除去水凝胶中的水分，加热水分变成水蒸气挥发掉，水蒸气可以通过水凝胶的交联网络结构，水凝胶塌陷，变成了固体，但是羧甲基纤维素树脂的交联结构并没有破坏，高分子的交联网络结构，还保持着原来的结构，非常稳定，内部的硫酸钙晶须排列更加紧密。

36、4、对烘干的固体状水凝胶切碎，然后进一步低温粉碎，是因为粉状的固体水凝胶更容易分散在基材中。300目的固体水凝胶粉料，单个粉料的直径为0.05毫米，由于单根硫酸钙晶须的直径为1-2微米，那么一个粉料颗粒中有定向排列的硫酸钙晶须25-50根。

37、5、固体水凝胶粉料与基础树脂的挤出造粒，是为了方便使用，方便包装运输，方便与基础树脂的共混。

38、6、固体水凝胶粉末中定向排列的硫酸钙晶须，在与基础树脂共混熔融挤出成型，或者注塑成型的过程中，始终保持定向的有序分布，这是由于固体水凝胶形成的交联网络结构一直保持原来的交联状态，是热固性材料，加热不会发送熔化，因此定向排列的硫酸钙晶须一直保持着有序状态。