一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法

本发明涉及一种高分子材料改性领域，尤其涉及一种低成本高韧性聚丙烯复合材料及制备方法。

背景技术：

1、聚丙烯(polypropylene，简称pp)是一种广泛应用的热塑性聚合物，由于其优异的机械性能、化学稳定性、电绝缘性能，以及加工性好等优点，在包装、纺织、汽车、电子、医疗及建筑等领域都有着广泛的用途。然而，等规聚丙烯的冲击韧性较低(3-8kj/m2)，往往不能满足特定应用场景的需求，这限制了聚丙烯的进一步应用，尤指在需要抗冲击或抗摔落性能的产品中，例如汽车零件、家用货架和抗摔儿童玩具等。提高聚丙烯的韧性通常涉及到材料改性，如添加橡胶或其他影响结晶度的塑化剂，改性聚丙烯通常会使成本上升。因此，开发一种既经济又能显著提高聚丙烯韧性的新型材料，对于满足市场和环保需求具有重要意义。

2、煤矸石作为一种采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。作为碳质、泥质和砂质页岩的混合物，煤矸石的主要化学成分包括sio2、al2o3、fe2o3、cao、mgo、k2o、na2o等，其中sio2，al2o3含量最高。在中国，累计排放的煤矸石超过了60亿吨，但其利用率不高，大部分煤矸石仍然以堆存的方式进行处理。这不仅占用了宝贵的土地资源、污染了土壤，还对环境造成了严重的污染。目前，有部分煤矸石被用作生产建筑材料如矸石水泥、轻质混凝土骨料、耐火砖等。此外，煤矸石也用于回收剩余煤炭、混合燃烧发电、生产结晶氯化铝、水玻璃等化学品，以及提取如贵金属和稀有金属等宝贵资源。然而，相较于其庞大的排放量，这些利用方式的比例还远远不足。因此，开发有效的煤矸石资源化处理方式，将会为煤矸石的高效利用带来广阔的发展机会。在现有技术领域，在塑料改性中使用无机填料作为填充剂，可以显著增强制品性能并降低塑料制品的原料成本。而目前市场上用于制备高分子复合材料常用的无机填料碳酸钙和滑石粉，价格在260-500元/吨，相比较之下，煤矸石经过粉碎、筛选处理，处理成本仅约30-55元/吨。煤矸石粉在技术和经济上均已具备作为高分子复合材料专用填料替代品的可能性，在家电、汽车等领域具有重大的工业价值和巨大的应用市场前景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种聚丙烯复合材料的制备方法，该复合材料精确控制等温结晶温度和时间、冷却速度的的情况下，引入高分子量受阻胺类光稳定剂uv3346，以及煤矸石本身具有光屏蔽剂的功能，通过这种精细的结构控制、热处理策略和助剂的加入，本发明提供的聚丙烯复合材料可抑制紫外光引起的变色和发脆现象，显著提高材料的耐候性，同时具有较高的韧性。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，包括下述步骤：

3、s1、将煤矸石、硅烷偶联剂添加至气流磨中，在室温下粉碎4-15min，直至150-180目；

4、s2、将聚丙烯、seps、煤矸石、uv3346、抗氧化剂1010在密炼机中混合，共混均匀后，再经由切粒机造粒，得到粒径为3-8mm的聚丙烯复合材料颗粒；

5、s3、将s2中制备的聚丙烯复合材料颗粒加入到注塑机中注塑成型，获得聚丙烯复合材料样条；

6、s4、将s3中得到的聚丙烯复合材料样条，在120-150℃下保温15-60min，以15-25℃/min的速率降至室温获得低成本高韧性聚丙烯复合材料。

7、本发明所述s1中硅烷偶联剂添加量为煤矸石的5wt％。

8、本发明所述s1中聚丙烯、seps、煤矸石、uv3346、抗氧化剂1010重量份数分别为60-90份、10-40份、0-10份、0.1-0.3份、0.1-0.5份。

9、本发明所述s1中密炼机混合条件为180-210℃、50-100rpm混合5-10min。

10、本发明所述s1中硅烷偶联剂为kh-550，kh-560，kh-570中任意一种。

11、本发明所述s2中seps为seps-4051，seps-4052，seps-4053中任意一种。

12、本发明所述s2中聚丙烯、seps、煤矸石、uv3346、抗氧化剂1010在密炼机中混合工艺参数为5-15min，温度为180-210℃，转速为50-100rpm。

13、本发明所述s3中注塑成型过程共分为三段加热区，温度设定分别为：一段180-200℃、二段190-210℃、三段200-210℃，机头温度为200-210℃。

14、本发明所述s3中注塑成型过程压力设定为：保压5-45mpa，挤出压力5-45mpa。

15、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

16、(1)使用改性后的煤矸石作为填料的聚丙烯复合材料，在保持良好机械强度的同时，降低了生产成本，实现对煤基固废的资源化处理。同时在原料中引入高分子量受阻胺类光稳定剂uv3346，协同煤矸石本身所具有的光屏蔽剂功能，利用复合材料各组分间的协同增效作用，抑制紫外光引起的变色和发脆现象，显著提高材料的耐候性，从而延长产品的使用寿命。

17、(2)通过气流磨的工艺方法对煤矸石进行改性，有效提升煤矸石与聚丙烯基体的相容性。利用气流磨技术实现煤矸石的超细粉碎，并在此过程中加入硅烷偶联剂进行表面改性，通过能借助机械力化学效应，促使改性剂直接与煤矸石颗粒表面发生接枝反应，显著提高煤矸石改性效率和效果。

18、(3)通过将聚丙烯，seps、煤矸石混合加工，所添加热塑性弹性体seps作为一种含软-硬嵌段的共聚物，ps链段作为硬嵌段，使pp强度不会显著损失。同时，其软-硬段协同形成核壳微相结构，有效提高聚丙烯韧性。seps在本发明中还具有增韧剂和β成核剂的双重作用。

19、(4)本发明创造的热处理手段“在120-150℃下保温15-60min后，以15-25℃/min的速率降至室温”，该工艺精确控制了热处理条件，如等温结晶温度和时间、冷却速度等，诱导形成结构规整、晶间连接良好的花状β晶，调控pp结晶行为。这些β晶与seps弹性体效应相结合，进一步改善了复合材料的韧性。通过这种精细的结构控制和热处理策略，本发明成功地提升了聚丙烯复合材料的韧性。

技术特征：

1.一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s1中硅烷偶联剂添加量为煤矸石的5wt％。

3.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s1中聚丙烯、seps、煤矸石、uv3346、抗氧化剂1010重量份数分别为60-90份、10-40份、0-10份、0.1-0.3份、0.1-0.5份。

4.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s1中密炼机混合条件为180-210℃、50-100rpm混合5-10min。

5.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s1中硅烷偶联剂为kh-550，kh-560，kh-570中任意一种。

6.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s2中seps为seps-4051，seps-4052，seps-4053中任意一种。

7.根据权利要求1所述的一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s2中聚丙烯、seps、煤矸石、uv3346、抗氧化剂1010在密炼机中混合工艺参数为5-15min，温度为180-210℃，转速为50-100rpm。

8.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s3中注塑成型过程共分为三段加热区，温度设定分别为：一段180-200℃、二段190-210℃、三段200-210℃，机头温度为200-210℃。

9.根据权利要求1所述一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，其特征在于：s3中注塑成型过程压力设定为：保压5-45mpa，挤出压力5-45mpa。

技术总结本发明提供了一种低成本高韧性聚丙烯复合材料的制备方法，该制备方法通过将聚丙烯、SEPS、煤矸石混合加工，能够有效提高聚丙烯韧性，采用在120‑150℃下保温15‑60min后，以15‑25℃/min的速率降至室温的热处理手段，精确控制等温结晶温度和时间、冷却速度的情况下，诱导形成结构规整、晶间连接良好的花状β晶，调控PP结晶行为，这些β晶与SEPS弹性体效应相结合，进一步改善复合材料的韧性，且本发明在原料中引入高分子量受阻胺类光稳定剂UV3346，以及煤矸石本身具有光屏蔽剂的功能，通过这种精细的结构控制、热处理策略和助剂的加入，本发明提供的聚丙烯复合材料可抑制紫外光引起的变色和发脆现象，显著提高材料的耐候性，同时具有较高的韧性。技术研发人员：王海博,王佳怡,沈佳豪,张毅,张志毅,余雯雯,上官勇刚,陈锋受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18