专利名称：聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料的制作方法
技术领域：
本发明属于高分子合成材料技术领域，更明确地说是一种以超高分子量聚乙烯与聚丙烯共混使其改性的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。
背景技术：
PP(聚丙烯)是大品种通用树脂，产量和用量均列大品种通用树脂前三位，其用途十分广泛。目前，国内各种管材由金属材料向塑料材料转变，已是大势所趋。管材的应用涉及城市建设、企业、矿山、通讯、能源等国民经济和国防建设的各个领域。PP则是塑料管材中用量最大的品种之一，而且其比重越来越大。但是，目前国内生产的PP材料其强度、韧性、耐低温性等综合物理机械性能和挤出工艺性能还有待提高，和国外相比还有一定差距。国外进口的PP材料虽然技术性能较好，但价格很贵。另外，目前的PP材料(特别是国产的)因其耐低温性、耐候性和耐紫外线性能较差，又具有一定的冷脆性，主要用于冷热水管、瓶、罐、膜、带、绳、以及其它挤出件、吹塑件、医药卫生用具等的制造，如用于汽车、家用电器等重要零部件的注射则还不够理想。这因为国内外目前均采用单一技术，如对不同种类的聚乙烯间进行共结晶研究，未有对PP/UHMWPE间的共结晶行为及原位成纤的研究。
本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种强度和韧性等有大幅度提高，弯曲强度、耐热性能得到明显改善，综合物理机械性能和挤出工艺性能好，价格又较便宜，除可用于管材挤出，还可用于汽车、家用电器等重要零部件的注射的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。
发明内容
为了达到上述目的，本发明由PP(聚丙烯)和UHMWPE(超高分子量聚乙烯)共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/5～100/20。
原位成纤是指在加工过程中，增强纤维就地形成，即分散相在连续相中由于受到剪切拉伸作用而发生形变，取向形成微纤状分散，并获得优良的改性效果的工艺过程。已往研究的成纤材料主要是热致性液晶。因其分子链刚性大，熔体温度高，因此易于成纤且成纤后纤维也容易保持。对于柔性高分子材料如UHMWPE与PP等通用树脂共混时，在一定条件下，也能就地成纤，并起到显著的改性效果。条件是增强相和连续相具有有限相容性；增强相比连续相具有较高的熔体粘度；两相的加工温度有较大差异。二次加工时，要使温度介于两相之间，达到保持纤维的目的；两相共混及成型时，须有较强的剪切流动场。成型时可采用淬冷等工艺。因此，挤出成型更有利于原位成纤。本发明的PP和UHMWPE就是在上述情况下原位成纤构成复合材料的。借助电子显微镜可清楚观察到大量的UHMWPE微纤(直径在0.1～0.5um左右)贯穿于PP基体中，而DSC谱图则发现UHMWPE能提前于PP形成晶核并引发PP同时结晶形成复合共晶，一条UHMWPE微纤晶带可穿过多个PP球晶。这种特殊结构形成的同时，显著提高了PP的多项力学性能。
复合材料的拉伸强度随UHMWPE含量的增加，呈先上升后下降的趋势，并在某一配比出现一个峰值。试样的缺口冲击强度，随UHMWPE用量的增加，呈单调上升或先上升后下降并在用量为15份时出现一个峰值的规律。当PP和UHMWPE的质量比为100/5～100/20时，共混复合材料有较满意的综合物理机械性能和挤出工艺性能。
UHMWPE的相对分子量为100～300×10-4时，效果较好，有较高的力学性能。试验证明，随着UHMWPE的相对分子量的增大，增强效果降低。相对分子量以100万递增，意味着UHMWPE的分子链会成倍地增长，分子间作用力加大，熔体粘度加大。这样不仅使UHMWPE均匀分散到PP中去的难度加大，而且取向成纤的界面粘性力增大。因此，熔体粘度过大的UHMWPE就会更明显地使复合材料的力学性能由上升转变为下降。
PP为PPB(嵌段共聚型聚丙烯)或PPR(无规共聚型聚丙烯)之一种时，其改性效果大大优于PPH。PP管材料主要有均聚型PP(PPH)、嵌段共聚型PP(PPB)和无规共聚型PP(PPR)三种。力学试验表明，UHMWPE对共聚型PP的改性效果大大优于均聚PP，共晶的形成与否是一个十分重要的原因。
PP为PPB时，改性的效果最好。由不同共聚型的PP与UHMWPE共混后的测试结果，可以看到材料改性后其韧性和强度都有提高，但以PPB最为突出。PPB是丙烯与少量乙烯单体的共聚物。乙烯链段的存在，提高了PP与UHMWPE的相容性，使两相无论在分散均匀程度上，还是在界面的结合情况上，都优于其它种类的共聚型聚丙烯。UHMWPE的分子链与PPB中的乙烯嵌段具有良好的相容性，以至结晶时可共同排入同一晶格，亦即形成共晶。UHMWPE对共聚型PP的改性效果大大优于均聚PP，共晶的形成与否是一个十分重要的原因。由于UHMWPE在结晶过程中既充当了PP的成核剂，又与PP中的乙烯嵌段晶相相容，因此形成的共晶也应是复合型的。UHMWPE与PP通过二者间复合共晶的结合是非常牢固的。在高倍拉伸时，PP的晶区遭到近乎完全破坏时，应力主要由取向的UHMWPE链束承担。UHMWPE在共混合金中起到关键作用。
PP和UHMWPE的质量比为100/10时，改性的效果最好。PP/UHMWPE的配比为100/10时(质量比)，塑料合金表现出较为特殊的行为。其PE部分的结晶度下降9.2％，而PP部分的结晶度则升高3.1％。合金的熔限与纯PP相比，除UHMWPE的用量为10份时PE部分有显著降低外，其余均无明显变化。其力学性能中的拉伸强度、抗弯强度和流变性能中的剪切粘度均在此时出现一峰值。
UHMWPE混入PP后，既没有达到分子水平的分散，也没有像刚性粒子或弹性粒子增韧那样以颗粒状分散到PP的基体中，而是以长丝的形式贯穿于PP之中。而且在贯穿的过程中，由于与PP形成了复合共晶，因而使两相间有极强的粘结力。因为UHMWPE形成的这种细丝具有较大的长度，无数条这种UHMWPE细丝纵横贯穿，使得合金在宏观上形成了一种特殊的“物理交联网络”。“物理交联网络”的存在，既可以作为材料的骨架在发生形变时吸收能量，也可以弥补PP因大球晶间难以避免的缺陷和空隙所造成的对材料韧性的不利影响，从而同时起到增强补韧的作用。
配比为100/10的合金的强度之所以出现峰值是因为此时PP和UHMWPE的比例适当，分散均匀。UHMWPE细丝可穿过更多的球晶，使得与PP的固着力超过了细丝的强度，因而断裂时二这不发生滑移，细丝受力时吸收了大量的能量与PP基体同时破坏。UHMWPE的掺混量超过10份后，由于细丝间相互的竞争作用，使得一条细丝穿过的球晶的数目逐渐减少，因而与PP的固着力小于本身的强度，导致冲断时细丝的一端从基体中拔出。当UHMWPE的超长细丝未能与PP形成共晶时，与PP具有较高的粘结力，所以在受到猛烈冲击时仍能吸收大量的能量，起到提高抗冲击强度的目的。但在缓慢拉伸的情况下，由于这一粘结力小于基体的断裂强度，所以难以起到抗冲击作用。“物理交联网络”的存在，也使合金的流变性能表现出网络结构的特性。
这种材料具有极高的韧性。当材料在受到冲击时，由UHMWPE和PP构成的共晶交联网络做为一种骨架结构使材料在应力作用下迅速发生剪切屈服并使应力在材料内部快速而广泛地传递，诱使产生更多的屈服。从而吸收大量的冲击能量，合金材料的冲击韧性就大大提高。
配比为100/10的合金可形成完整充分的“交联网络”，在其结晶行为上也是有根据的。大部分UHMWPE链段都参与了复合共晶的形成。因而其自身的高结晶度对材料的总结晶度的贡献是很小的。在此配比下，结晶的完善程度也是非常好的。其它配比的合金，PE部分的结晶度呈上升趋势则是由越来越多的没有形成共晶的UHMWPE具有较高的结晶度所致。
本发明的任务就是这样完成的。
本发明提供了一种强度和韧性等均有大幅度提高，弯曲强度、耐热耐候性能得到明显改善，综合物理机械性能和挤出工艺性能好，价格又较便宜的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。除可广泛应用于管材挤出外，它还可推广应用于汽车、家电等重要部件的注射中。
具体实施例方式
本发明的具体实施例如下实施例1.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。它由PP和UHMWPE共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/5。UHMWPE的相对分子量为300×10-4。PP为PPB(嵌段共聚型聚丙烯)。实施例1的主要性能指标为拉伸屈服强度32.0Mpa，简支梁试样缺口冲击强度70.0KJ/M2。
实施例2.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。它由PP和UHMWPE共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/10。UHMWPE的相对分子量为150×10-4。PP为PPR(无规共聚型聚丙烯)。实施例2的主要性能指标为拉伸屈服强度32.0Mpa，缺口冲击强度90.0KJ/M2。
实施例3.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。它由PP和UHMWPE共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/20。UHMWPE的相对分子量为100×10-4。PP为PPR(无规共聚型聚丙烯)。实施例3的主要性能指标为缺口冲击强度54.0KJ/M2，拉伸屈服强度28.0Mpa，熔限PE为27.0℃，PP为24.0℃。
实施例4.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。它由PP和UHMWPE共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/10。UHMWPE的相对分子量为150×10-4。PP为PPB(嵌段共聚型聚丙烯)。PP的牌号为PP1330。实施例4的主要性能指标为拉伸屈服强度32.0Mpa，缺口冲击强度90.0KJ/M2，弯曲强度39.7Mpa，弯曲模量876Mpa，断裂伸长率》800％，熔限PE为25.0℃，PP为24.0℃。上述主要性能指标均超过韩国和北欧PP产品。结晶度PE为34.6％，PP为53.8％。
实施例5.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料。它由PP和UHMWPE共混原位成纤共结晶制成。PP和UHMWPE的质量比为100/15。UHMWPE的相对分子量为250×10-4。PP为PPB(嵌段共聚型聚丙烯)。PP的牌号为PP1330。实施例5的主要性能指标为屈服强度32.0Npa，缺口冲击强度95.0KJ/M2，熔限PE为18.0℃，PP为25.0℃。结晶度PE为51.0％，PP为47.7％。
实施例1～实施例5除综合物理机械性能有较大改进外，挤出工艺性能也好。其价格较国外韩国和北欧PP产品便宜20％～40％。除可广泛应用于管材挤出外，它还可推广应用于汽车、家电等重要部件的注射中。
权利要求
1.一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，其特征在于它由PP(聚丙烯)和UHMWPE(超高分子量聚乙烯)共混原位成纤共结晶而成，所说的PP和UHMWPE的质量比为100/5～100/20。
2.按照权利要求1所述的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，其特征在于所说的UHMWPE的相对分子量为100～300×10-4。
3.按照权利要求1或2所述的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，其特征在于所说的PP为PPB(嵌段共聚型聚丙烯)或PPR(无规共聚型聚丙烯)之一种。
4.按照权利要求1～3中每一个权利要求所述的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，其特征在于所说的PP为PPB。
5.按照权利要求1～4中每一个权利要求所述的聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，其特征在于所说的PP和UHMWPE的质量比为100/10。
全文摘要
一种聚丙烯/超高分子量聚乙烯原位成纤共结晶复合材料，属于高分子合成材料技术领域。它由PP(聚丙烯)和UHMWPE(超高分子量聚乙烯)共混原位成纤共结晶制成，PP和UHMWPE的质量比为100/5～100/20。UHMWPE的相对分子量为100～300×10
文档编号C08L23/00GK1394907SQ0211045
公开日2003年2月5日 申请日期2002年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者李炳海, 黄兆阁, 陈勇, 杨军, 史勤芳, 孙正学, 赵德慧 申请人:青岛化工学院