聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製作方法
2023-05-06 14:16:06 2
本發明涉及聚合物複合材料領域，具體是一種聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料及其製備方法。
背景技術：
熱塑性彈性體TPE(Thermoplastic Elastomer)是指一類同時具有熱塑性塑料和傳統硫化橡膠特性的高分子複合材料，其在常溫下具有傳統硫化橡膠的高彈性，高溫下又能利用熱塑性塑料加工設備塑化成型，被稱為繼天然橡膠、合成橡膠之後的第三類橡膠[Varghese S,et al.Journal of applied polymer science,2004,92:2063]。其中動態硫化熱塑性彈性體是採用動態硫化技術製備的彈性體(Thermoplastic Vulcanizate)，簡稱TPV。聚丙烯/三元乙丙橡膠動態硫化熱塑性彈性體(簡稱PP/EPDM-TPV)兼具聚丙烯與三元乙丙橡膠的優點，具有優異的耐候性和良好的力學性能，因而受到廣泛關注。與傳統橡膠相比，PP/EPDM-TPV具有加工簡便，可反覆成型，邊角料和廢棄物可回收利用等優勢，是極具發展潛力的彈性體材料。目前，PP/EPDM-TPV已逐漸取代了傳統橡膠，除廣泛應用於汽車行業、電線電纜、密封製品等領域外，還廣泛用於建築、醫療等行業。
近幾年，為了滿足彈性體導電功能化的應用需求，一些研究者開始關注EPDM/PP-TPV的導電功能化改性研究。Ma L F等人[Ma L F,et al.Journal of Materials Chemistry A,2014,2:16989]以CB為導電填料製備PP/EPDM/CB導電複合材料，當CB含量為28wt％時，複合材料的電導率為0.01S/cm。這類PP/EPDM熱塑性導電彈性體具有加工簡便、可連續生產等優點，可代替昂貴的導電矽橡膠作為導電密封膠條廣泛應用在民用電子、通訊、大規模集成電路、醫療設備等領域；此外，由於導電高分子複合材料具有電磁屏蔽特性，經導電功能化改性後的PP/EPDM彈性體還能夠作為電磁屏蔽密封條應用於軍用車輛等領域以防止電磁波洩密。
為實現熱塑性彈性體的導電功能化，添加導電填料是當前的主要手段。碳系填料和金屬粉末是當前應用較廣的兩大類導電填料。其中，碳系填料具有來源廣、質量輕、導電性能良好等優點，常用的碳系填料有炭黑、石墨、碳納米管等。Ranjbar B等人[Ranjbar B,et al.Journal of Applied Polymer Science,2012,123:32-40]以膨脹石墨(EG)為填料製備的PP/EPDM/EG導電複合材料，當EG含量為3.15vol％時，複合材料電導率為10-5S/cm。金屬填料的導電性能和電磁屏蔽性能都明顯優於碳系填料，常用的金屬填料有銀、銅、鎳等，但由於金屬填料價格昂貴、比重較大，使其應用受到極大限制。
針對目前導電熱塑性彈性體電導率低且在電磁屏蔽領域應用空缺的問題，本發明選擇鍍鎳玻璃纖維為導電填料對PP/EPDM-TPV進行導電功能化改性，利用玻璃纖維具有較大長徑比、易於在基體中搭接形成網絡結構的特點，以及金屬鎳包覆層優良的導電性和電磁屏蔽特性，使其在極少鎳含量下實現對PP/EPDM-TPV的功能化改性，製備具有優異導電性和電磁屏蔽性能的PP/EPDM動態硫化熱塑性彈性體。
技術實現要素：
本發明為了解決目前導電熱塑性彈性體電導率低且在電磁屏蔽領域應用空缺的問題，提供了一種聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料及其製備方法。
本發明是通過以下技術方案實現的：一種聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料，其特徵在於，是由15.0～30.0wt％聚丙烯(PP)、25.0～45.0wt％三元乙丙橡膠(EPDM)以及40.0～50.0wt％的鍍鎳玻璃纖維(NCGF)構成的，其中鎳在功能複合材料中的含量為1.0～1.4vol％。
本發明將鍍鎳玻璃纖維作為填料對聚丙烯/三元乙丙橡膠熱塑性彈性體進行功能化改性。利用玻璃纖維具有較大長徑比、易於搭接的結構特點，實現包覆鎳層在聚丙烯/三元乙丙橡膠熱塑性彈性體中的連續分布與網絡化構建，在極低金屬鎳含量下形成導電通路，賦予聚丙烯/三元乙丙橡膠熱塑性彈性體導電性能。具有高導電性的鍍鎳玻璃纖維，可顯著提高聚丙烯/三元乙丙橡膠熱塑性彈性體的電導率及電磁屏蔽效能。
進一步，本發明提供了所述聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，其步驟為：聚丙烯經密煉熔融後與三元乙丙橡膠混煉並混合均勻，隨後加入交聯劑過氧化二異丙苯使三元乙丙橡膠在與聚丙烯共混過程中發生交聯，之後加入鍍鎳玻璃纖維混煉得到分散均勻的共混物，然後熱壓成型得到所述聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料；其中交聯劑過氧化二異丙苯質量是三元乙丙橡膠質量的1～2wt％。
優選的，所述聚丙烯的密煉時間為3～5min；所述聚丙烯與三元乙丙橡膠的混煉時間為5～8min；之後加入交聯劑過氧化二異丙苯後的混煉時間為5～10min；所述的交聯之後的聚丙烯與三元乙丙橡膠共混物與鍍鎳玻璃纖維的混煉時間為10～15min；密煉和混煉的攪拌速度為30～60rpm。
另外，所述密煉和混煉均是在轉矩流變儀內實現的。轉矩流變儀內的溫度為180～200℃。
而且，聚丙烯、三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維共混物是在190～210℃、10～15MPa條件下熱壓成型的。
本發明所述複合材料的製備方法能有效提高聚丙烯/三元乙丙橡膠熱塑性彈性體的電導率，通過改變組分配比，可以調節複合材料的電導率及電磁屏蔽效能，得到具有良好導電性能及電磁屏蔽性能的聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料，是一種高效、低成本、成型工藝簡單的導電及電磁屏蔽功能複合材料製備方法。
附圖說明
圖1為本發明製備的聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料(其中聚丙烯與三元乙丙橡膠的質量比為1:1)的電導率曲線圖。從圖中可以看出，隨著導電填料鍍鎳玻璃纖維含量的增加，複合材料的電導率顯著提高，當鍍鎳玻璃纖維的含量從30wt％(Ni含量為0.69vol％)增加到40wt％(Ni含量為1.0vol％)時，複合材料的電導率從1.1×10-8S/m增加到0.42S/m。當鍍鎳玻璃纖維的含量達到50wt％(Ni含量為1.4vol％)時，複合材料的電導率可高達12S/m。
圖2為聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料(其中聚丙烯與三元乙丙橡膠的質量比為1:1)在X波段(8.2GHz～12.4GHz)，其電磁屏蔽效能隨頻率的變化曲線圖。從圖中可以看出，隨著鍍鎳玻璃纖維含量上升，複合材料的屏蔽效能逐漸提高，當NCGF含量為50wt％(Ni含量為1.4vol％)時，複合材料屏蔽效能可達到42dB左右，表現出良好的電磁屏蔽性能。
具體實施方式
實施例一：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密煉3min，轉速為50rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入17.5g三元乙丙橡膠，混煉5min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.175g過氧化二異丙苯，混煉10min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入23.4g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為29.97:29.97:40.06，混煉10min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在200℃、10MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
實施例二：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密煉3min，轉速為50rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入17.5g三元乙丙橡膠，混煉5min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.35g過氧化二異丙苯，混煉10min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入28.7g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為27.48:27.48:45.04，混煉10min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在200℃、10MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
實施例三：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密煉3min，轉速為50rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入17.5g三元乙丙橡膠，混煉5min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.35g過氧化二異丙苯，混煉10min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入35g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為25:25:50，混煉10min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在200℃、10MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
實施例四：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至180℃，向其中加入14g聚丙烯，密煉3min，轉速為50rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入21g三元乙丙橡膠，混煉5min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.42g過氧化二異丙苯，混煉10min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入35g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為20:30:50，混煉10min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在200℃、10MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
實施例五：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至180℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密煉3min，轉速為50rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入24.5g三元乙丙橡膠，混煉5min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.245g過氧化二異丙苯，混煉10min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入35g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為15:35:50，混煉10min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在200℃、10MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
表1實施例一到實施例五所製得功能複合材料的電導率及電磁屏蔽效能
實施例六：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至190℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密煉4min，轉速為30rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入28.0g三元乙丙橡膠，混煉8min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.42g過氧化二異丙苯，混煉8min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入31.5g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為15:40:45，混煉15min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在190℃、15MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。
實施例七：
聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料的製備方法，包括以下步驟：
(1)將轉矩流變儀升溫至200℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密煉5min，轉速為60rpm，使聚丙烯充分熔融；
(2)向轉矩流變儀中加入31.5g三元乙丙橡膠，混煉6min，使二者均勻混合；
(3)向轉矩流變儀中加入0.47g過氧化二異丙苯，混煉5min，得到共混均勻的混合物；
(4)向轉矩流變儀中加入28.0g鍍鎳玻璃纖維，使聚丙烯與三元乙丙橡膠及鍍鎳玻璃纖維質量比為15:45:40，混煉12min，得到分散均勻的混合物；
(5)將步驟(4)得到的混合物在210℃、12MPa的條件下熱壓成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡膠/鍍鎳玻璃纖維功能複合材料。