本發明涉及高分子材料技術領域，特別涉及一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料及其制備方法。
背景技術：
聚丙烯具有低密度、易成型加工、耐汽油和化學藥品性好等優點，然而聚丙烯存在耐熱耐低溫性能差、成型收縮率大、尺寸穩定性差及耐熱性、剛性較差、沖擊強度和拉伸強度低、剛性不足、易老化、變脆等問題，限制了其在家用電器方面的應用。
為了提高聚丙烯的剛性、耐熱性等，往往通過添加無機填料等來予以改善，玻璃纖維是一種針狀填料，在拉伸沖擊強度、撓曲模量、懸臂梁式沖擊強度和耐熱性方面對增強聚丙烯的性能有較大影響。但是通常隨著聚丙烯樹脂中填充的玻璃纖維量的增加，高取向度使得模塑制品在流動方向和垂直于流動方向的收縮速率之間產生很大區別，以致于引起最終制品的翹曲，使其在需要高尺寸穩定性的旋轉件如風扇、內桶、波輪、皮帶輪中難以得到使用，在大尺度制品中容易發生大的翹曲和形變，另外玻璃纖維容易暴露在制品表面，導致表面性能較差，外觀較差，同時，當組合物中具有較高填料含量如超過35wt％時，加工變得困難，降低了生產效率和加工性能。
技術實現要素：
本發明的目的在于，針對現有技術的上述不足，提供一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，通過改性玻璃纖維增強聚丙烯，提高了聚丙烯的剛性與尺寸穩定性，而且具有加工性能好、耐熱性高、耐翹曲與形變、抗老化與抗腐蝕性強等優點。
本發明的目的還在于，提供前述高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料的制備方法。
本發明為達到上述目的所采用的技術方案是：
一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯54～80％、改性玻璃纖維10～40％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體5～15％、熱穩定劑0.2～0.3％、抗氧劑0.1～0.5％、光穩定劑0.1～0.2％、分散劑0.15～0.5％。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物，是以二甲苯為溶劑、過氧化二異丙苯為引發劑經高壓溶液法制備而成，其中丙烯腈的接枝率為14-16％。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：
將3-6份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在40-50℃時加熱溶解后加入30-38份玻璃纖維和6-10份聚氨酯預聚體，攪拌2-3小時后，過濾，85-90℃烘干2.5-3小時，得到改性玻璃纖維。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的聚氨酯預聚體為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為1.8～2.3、異氰酸根含量為4.5～6.5wt％。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的玻璃纖維的平均直徑為5-11um、長度為1-11mm，且為表面經氨基硅烷改性處理后所得。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為1-1.2％、熔體流動速率為0.5～5g/10min。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比0.5～1：0.5～1：0.1～0.2混合而成。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的熱穩定劑為鈣鋅熱穩定劑、有機錫熱穩定劑中的任一種；抗氧劑為抗氧劑1010、抗氧劑168中的任一種；光穩定劑為受阻胺類光穩定劑。
一種前述的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料的制備方法，包括如下步驟：
S1：按重量配比稱取聚丙烯、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體、熱穩定劑、抗氧劑、光穩定劑、分散劑，高速混合攪拌10～15分鐘，得到混合物；
S2：向雙螺桿擠出機中加入改性玻璃纖維與混合物進行混煉，經熔融擠出，造粒，得成品。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的熔融擠出的工藝為：一區190～210℃，二區200～220℃，三區210～220℃，四區205～215℃；停留時間為3～8min，雙螺桿轉速為330～350r/min。
與現有技術相比，本發明提供的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，以聚丙烯為基材，用改性玻璃纖維增強，提高了玻璃纖維的利用效率，使聚丙烯復合材料的剛性、耐溫性、抗沖性、拉伸強度、彎曲強度等綜合力學性能顯著提高，經實際應用顯示，用于制作冰箱、空調等制冷機器中軸流風扇和貫流風扇或是高轉速洗衣機的內桶、波輪、皮帶輪或是家用電器的內襯等方面體現出高剛性與高尺寸穩定性，也可用于電飯鍋底座和提手、電子微波烤爐等對耐溫要求較高的場所。
本發明的制備工藝精準簡便，易于實現工業化生產，并適于大規模的推廣應用，使用基礎原料，原料價格低，所得制品在大尺度制品中不會發生大的翹曲和形變，尺寸穩定性高，加工性能好，生產效率高，玻璃纖維與聚丙烯的相容性好，不會暴露在制品表面，外觀好，還具有耐熱性強、抗腐蝕性好、機械強度高等優點。
上述是發明技術方案的概述，以下結合具體實施方式，對本發明做進一步說明。
具體實施方式：
為了使本發明的目的和技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例作詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
實施例1：本實施例提供的一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯54％、改性玻璃纖維34.7％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體10％、熱穩定劑0.2％、抗氧劑0.5％、光穩定劑0.1％、分散劑0.5％。通過各組分精心設計與配比，采用合理的制備方法，得到高剛性高抗沖擊強度等綜合性能優異的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料。
優選地，聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物，是以二甲苯為溶劑、過氧化二異丙苯為引發劑經高壓溶液法制備而成，其中丙烯腈的接枝率為14％，反應溫度為125℃，反應時間為5小時，聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯的質量比為100：48：4.2，具體工藝步驟可以為：將聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯加入反應釜中，抽真空在氮氣保護下，將釜內壓力升到5-7MPa，升溫反應一段時間，停止反應后冷卻，冷卻至室溫后取出樣品，過濾后浸泡溶劑DMF2天后，沉淀，抽濾，再經丙酮沉淀，抽濾，得到產物，烘干，備用。利用丙烯腈接枝改性后的聚丙烯，在保持原有優點的情況下，由于引入極性基團，增強了聚丙烯與改性玻璃纖維、其他助劑之間的界面相容性，有益于提升聚丙烯復合材料的剛性，減少制品的變形，增強制品的尺寸穩定性，進一步提高了聚丙烯的抗老化性、耐溫性等。
改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：將6份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在50℃時加熱溶解后加入38份玻璃纖維和6份聚氨酯預聚體，攪拌3小時后，過濾，90℃烘干3小時，得到改性玻璃纖維。其中，聚氨酯預聚體優選為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為2.3、異氰酸根含量為6.5wt％，聚醚型聚氨酯預聚體對玻璃纖維進行改性，可以增加玻璃纖維和聚丙烯基體之間的界面相容性，提高復合材料的韌性，改善聚丙烯的成型收縮率大、易發生較大的翹曲和形變等缺陷；玻璃纖維優選為平均直徑為5-11um、長度為1-11mm，且為表面經氨基硅烷改性處理后所得；聚乙丙交酯PLGA是L-丙交酯與乙交酯按摩爾比3：7合成的共聚物，具有熱塑性好、高強度等優點，進一步提升聚丙烯復合材料的剛性。通過對玻璃纖維的改性，能顯著改善其在聚丙烯復合材料中的分散性和親和性，并且能與高聚物基體間產生界面作用，從而提高抗沖擊強度，避免玻璃纖維暴露在制品表面，提升玻璃纖維的增強作用，而且即使玻璃纖維的填充量達到40％，聚丙烯復合材料依然保持較好的模塑加工性能和生產效率，提高了填料的利用效率。其中聚醚型聚氨酯預聚體、聚乙丙交酯PLGA、玻璃纖維用硅烷表面處理的工藝均為已成熟的工業化工藝方法，這里不再累贅。
馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為0.5％、熔體流動速率為1.1g/10min，其中，聚烯烴彈性體選自乙烯-辛烯共聚物，具體的制備工藝可以參照俞強等在2002年7月于“塑料工業”上發表的名稱為《聚烯烴彈性體與馬來酸酐的熔融接枝》中的制備方法。馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體用于增強聚丙烯與玻璃纖維之間的相容性，改善界面性能，大幅提升復合材料的抗沖擊強度和剛性。
分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比1：0.5：0.2混合而成，通過合理配比可使內外潤滑作用得以平衡，協同效應好，提高基體的潤滑性與熱穩定性，并減少在分散過程中熱量集聚，防止低收縮組分分離，提高制品的尺寸穩定性，減少微裂紋的形成。熱穩定劑為常用的有機錫熱穩定劑，抗氧劑為抗氧劑168，光穩定劑為常用的受阻胺類光穩定劑，這里也可以選自其他與基體配合性好、易于分散的熱穩定劑、抗氧劑及光穩定劑，以進一步提升產品的耐熱性、耐老化性能等。
本實施例還提供了前述高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料的制備方法，包括如下步驟：
S1：按設定的重量配比稱取聚丙烯、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體、熱穩定劑、抗氧劑、光穩定劑、分散劑，高速混合攪拌10～15分鐘，得到混合物；
S2：向雙螺桿擠出機中加入改性玻璃纖維與混合物進行混煉，經熔融擠出，造粒，得成品。
作為對本發明的進一步改進之一，所述的熔融擠出的工藝為：一區210℃，二區200℃，三區210℃，四區205℃；停留時間為3min，雙螺桿轉速為350r/min。制備工藝簡便合理，制品質量穩定性高，產品成品率高。
實施例2：本實施例提供的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料及其制備方法，與實施例1基本相同，不同之處在于：
一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯70％、改性玻璃纖維24.25％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體5％、熱穩定劑0.3％、抗氧劑0.1％、光穩定劑0.2％、分散劑0.15％。
其中，聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物中丙烯腈的接枝率為16％，反應溫度為125℃，反應時間為4.5小時，聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯的質量比為100：51：3.8。改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：將3份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在40℃時加熱溶解后加入30份玻璃纖維和10份聚氨酯預聚體，攪拌2小時后，過濾，90℃烘干2.5小時，得到改性玻璃纖維。其中，聚氨酯預聚體優選為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為1.8、異氰酸根含量為4.5wt％。馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為0.25％、熔體流動速率為0.4g/10min，其中，聚烯烴彈性體選自三元乙丙橡膠。分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比0.5：0.5：0.1混合而成，熱穩定劑為鈣鋅熱穩定劑，抗氧劑為抗氧劑1010。
具體制備中：熔融擠出的工藝為：一區190℃，二區200℃，三區220℃，四區215℃；停留時間為8min，雙螺桿轉速為330r/min。
其他與實施例1相同，在此不再累贅。
實施例3：本實施例提供的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料及其制備方法，與實施例1基本相同，不同之處在于：
一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯80％、改性玻璃纖維10％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體9％、熱穩定劑0.25％、抗氧劑0.3％、光穩定劑0.1％、分散劑0.35％。
其中，聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物中丙烯腈的接枝率為15％，反應溫度為126℃，反應時間為4.8小時，聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯的質量比為100：50：4。
改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：將5份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在45℃時加熱溶解后加入35份玻璃纖維和8份聚氨酯預聚體，攪拌2.6小時后，過濾，87℃烘干3小時，得到改性玻璃纖維。其中，聚氨酯預聚體優選為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為2、異氰酸根含量為5.1wt％。
馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為0.4％、熔體流動速率為0.8g/10min，其中，聚烯烴彈性體選自氫化的苯乙烯/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物。
分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比0.8：0.6：0.2混合而成；熱穩定劑為鈣鋅熱穩定劑；抗氧劑為抗氧劑1010。
具體制備中：熔融擠出的工藝為：一區200℃，二區210℃，三區215℃，四區210℃；停留時間為6min，雙螺桿轉速為340r/min。
其他與實施例1相同，在此不再累贅。
實施例4：本實施例提供的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料及其制備方法，與實施例1基本相同，不同之處在于：
一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯54％、改性玻璃纖維40％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體5％、熱穩定劑0.2％、抗氧劑0.3％、光穩定劑0.2％、分散劑0.3％。
其中，聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物中丙烯腈的接枝率為15.1％，反應溫度為127℃，反應時間為4.9小時，聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯的質量比為100：49：3.9。
改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：將4份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在44℃時加熱溶解后加入33份玻璃纖維和7份聚氨酯預聚體，攪拌2小時后，過濾，88℃烘干3小時，得到改性玻璃纖維。其中，聚氨酯預聚體優選為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為1.8、異氰酸根含量為6.5wt％。
馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為0.4％、熔體流動速率為0.9g/10min，其中，聚烯烴彈性體選自氫化的苯乙烯/丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物。
分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比0.5～1：0.5～1：0.1～0.2混合而成；熱穩定劑為鈣鋅熱穩定劑；抗氧劑為抗氧劑168；光穩定劑為受阻胺類光穩定劑。
具體制備中：熔融擠出的工藝為：一區190℃，二區200℃，三區210℃，四區215℃；停留時間為3min，雙螺桿轉速為330r/min。
其他與實施例1相同，在此不再累贅。
實施例5：本實施例提供的高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料及其制備方法，與實施例1基本相同，不同之處在于：
一種高剛性玻璃纖維增強聚丙烯材料，按重量百分數計，包括如下組分：聚丙烯60％、改性玻璃纖維23.9％、馬來酸酐接技聚烯烴彈性體15％、熱穩定劑0.3％、抗氧劑0.1％、光穩定劑0.2％、分散劑0.5％。
其中，聚丙烯為丙烯腈-聚丙烯接枝共聚物中丙烯腈的接枝率為15.1％，反應溫度為127℃，反應時間為4.9小時，聚丙烯、丙烯腈、過氧化二異丙苯的質量比為100：49：3.9。
改性玻璃纖維采用如下方法制備得到：將6份聚乙丙交酯放入份丙酮中，在50℃時加熱溶解后加入38份玻璃纖維和10份聚氨酯預聚體，攪拌3小時后，過濾，90℃烘干2.5小時，得到改性玻璃纖維。其中，聚氨酯預聚體優選為聚醚型聚氨酯預聚體且官能度為1.8、異氰酸根含量為4.5wt％。
馬來酸酐接枝聚烯烴彈性體的接枝率為0.25％、熔體流動速率為0.4g/10min，其中，聚烯烴彈性體選自三元乙丙橡膠。
分散劑為硬質酰胺、高級脂肪醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物按質量比0.5：1：0.1混合而成；熱穩定劑為鈣鋅熱穩定劑；抗氧劑為抗氧劑1010。
具體制備中：熔融擠出的工藝為：一區190℃，二區220℃，三區210℃，四區205℃；停留時間為8min，雙螺桿轉速為350r/min。
其他與實施例1相同，在此不再累贅。
根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。