本发明涉及一种透明抗老化的水杯，属于生活用品技术领域。
背景技术：
水杯，按材料一般分为玻璃、塑料、陶瓷等几种，玻璃、陶瓷水杯不耐摔，而塑料水杯比较耐用，造型多变，因此塑料水杯占据了比较大的市场。塑料水杯一般由聚丙烯(简称PP)、聚碳酸酯(简称PC)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称PET)等材料制成，其中PET塑料杯一般不耐高温，最高使用温度不能超过70℃，杯壁较薄，主要用于包装碳酸饮料、饮用水、果汁、酵素和茶饮料等；PC是被大量使用的一种材料,尤其多用于制造奶瓶、太空杯等,但因为含有双酚A(BPA)一直备受争议，BPA会导致内分泌失调，威胁着胎儿和儿童的健康。癌症和新陈代谢紊乱导致的肥胖也被认为与此有关。欧盟认为含双酚A奶瓶会诱发性早熟，从2011年3月2日起，禁止生产含化学物质双酚A(BPA)的婴儿奶瓶。我国也与于2011年6月1日起，禁止双酚A用于婴幼儿食品容器(如奶瓶)生产和进口。PC奶瓶已悄然退出市场。而聚丙烯无毒、无臭、无味，质地轻，是目前所有塑料中最轻的品种之一，且聚丙烯具有良好的耐热性，制品能在100℃以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的条件下，150℃也不变形。可替代PC和PET用于制备透明杯。
但是聚丙烯透明性能不佳，耐氧化性和耐辐射性较差，在有阳光照射下相对易变形。故需要对聚丙烯材料进行改性处理或添加助剂使这些问题得到克服，以满足透明杯用的需求。
目前，主要通过添加成核剂来改善聚丙烯的结晶尺寸和形态，从而使聚丙烯的透明性能增加，如中国专利(公开号：CN 102391585A)公开的一种透明瓶用聚丙烯材料，该聚丙烯材料通过引入抗氧剂和增透剂来提高产品透明性，虽然该聚丙烯材料透明度得到提高，但是因为抗氧剂、增透剂以及吸酸剂的大量添加，严重降低了材料的力学性能，其抗氧化性也不能满足户外运动及高温条件下的应用。中国专利(公开号：CN102869719A)公开了一种聚丙烯瓶，该专利通过添加成核剂提高产品的力学性能，虽然提高了产品的冲击性能、刚性性能，但是产品的透明度没有得到实质提高，获得的产品透明度仅为90％左右。
技术实现要素：
针对现有聚丙烯材料应用于水杯透光率低，耐氧化性和耐辐射性差的问题，本发明提供一种透明性好、抗老化能力强且力学性能兼优的聚丙烯材料，应用于水杯，从美观和实用上赋予水杯更高透明性及抗老化性。
本发明上述目的可通过下列技术方案来实现：一种透明抗老化的水杯，所述的水杯具有圆形的开口、圆形的杯底及连接开口和杯底的杯壁，所述水杯的直经由杯底自开口逐渐变大，且杯壁上呈轴向阶梯状设置；所述水杯由复合材料制成，所述的复合材料包括以下重量份数的成分：
聚丙烯：50-75份
聚甲基丙烯酸甲酯：25-35份
高密度聚乙烯：6-18份
改性纳米填料：5-12份
相容剂：5-15份
增透剂：0.01-0.3份
抗老化剂：0.02-0.3份
润滑剂：0.1-0.8份。
本发明透明抗老化的水杯的复合材料以聚丙烯为基体，复配使用聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯、改性纳米填料，有效提高聚丙烯材料的透光率、抗老化能力以及力学性能，同时还添加了相容剂、增透剂、抗老化剂及各类助剂，通过各组分之间产生的协同作用进一步提高聚丙烯材料各项性能。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)具有良好的力学性能，其拉伸强度、弯曲强度以及压缩强度等均远远高于其它通用塑料，因PMMA较大的侧甲酯基和α碳原子上的侧甲基的存在，使聚合物分子链的刚性增大，致使PMMA硬度大。PMMA具有十分优异的光学性能，其作为三种空间立构体的混合物，宏观上属于无定形聚合物，为刚性无色透明材料，故透射率高，可与硅玻璃相媲美，透射率大于91％。且PMMA具有很好的抗老化性能，可长期在紫外光强烈的户外使用，其试样经过4年的自然老化试验，质量无变化，拉伸强度、透射率略有下降，其他物理性能几乎未发生变化。聚丙烯与PMMA共混，通过相容剂的引入提高混合体系之间的界面结合强度，实现优势互补，得到的材料能集聚丙烯与PMMA优良性能于一体，可以改善产品的力学强度，同时提高产品的表面硬度，增加产品的透光率和抗老化性。聚丙烯与PMMA最佳的质量复配比为(2-3)：1，在此范围内的材料性能较优。
高密度聚乙烯(HDPE)与体系共混，体系中PP与HDPE在结晶时相互之间有阻碍作用，HDPE对PP球晶进行了插入分割，从而使得PP球晶变成较小的碎片，达到细化PP球晶的目的，从而使聚丙烯材料的透明度、抗冲击性能增强。
纳米粒子的粒径较小，具有较高的表面能和表面结合能，导致纳米粒子极易团聚，团聚后的纳米粒子不利于材料力学性能、抗老化性能的改善，因此对纳米粒子进行表面处理是制备力学性能好、抗老化能力佳聚丙烯材料的关键。改性纳米填料的引入可以改善材料的力学性能，添加少量的纳米粒子使得聚丙烯球晶颗粒细小而均匀，对聚丙烯材料起到增强增韧的作用，且因为纳米填料，粒径小、比表面积大、活性高，与聚丙烯有更大的接触面积并与基体粘合更牢，当材料受到外力冲击时，纳米填料与聚丙烯形成的物理三维网络会起到应力集中作用，吸收冲击能来提高材料的抗冲击能力。改性纳米填料的引入可以有效提高材料的抗老化能力，一方面，纳米填料具有合适的粒径范围，故对紫外线具有较强的散射能力和屏蔽功能，使照射到材料的紫外线部分被屏蔽，延缓材料老化；另一方面，纳米填料的量子尺寸效应不但使它对紫外光产生蓝移现象，而且对各种波长光的吸收带有宽化现象，这使纳米填料对紫外光有一定的吸收能力，降低紫外破换。纯聚丙烯材料经紫外线加速老化到200h时，其拉伸强度损失50％以上，而冲击强度仅为初始值的2/3；在紫外光中曝露700h时，其拉伸强度损失接近于90％，冲击强度损伤一半。通过纳米填料改性后，PP的力学性能保持率大幅度提高，大大提高了PP材料的实际使用价值。本发明中改性纳米填料添加份数使材料性能最优，过多加入纳米填料会影响材料的透明度。
本发明复合材料引入的增透剂和抗老化剂与聚丙烯、PMMA、HDPE以及改性纳米填料起协同增效作用，在添加少量的基础上可实现材料透光率及抗老化性能的大幅度提高。满足透明水杯在阳光照射下的使用要求。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的聚丙烯由无规共聚聚丙烯和等规聚丙烯组成。聚丙烯具有良好的耐热性和耐压强度，但其在透明性、低温耐抗冲击韧性方面性能较差，而在无规则共聚聚丙烯的聚合物链上，由于其共聚单体分子无规则地插在丙烯分子中间，阻碍了聚合物的结晶排列，降低了其结晶度，使其晶粒微细化，可提高聚合物的透明度和力学性能。
进一步优选，所述的聚丙烯55％-65％无规共聚聚丙烯和35％-45％等规聚丙烯组成。所述的无规共聚聚丙烯采用在230℃，5kg时熔体流动速率7～15g/10min、乙烯质量百分含量＜5％的无规共聚聚丙烯。无规共聚物通过与等规聚丙烯以合适的比例共混，可明显提高产品的透明性、抗冲击性能和高温抗热变形性能。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的透光率＞91％，维卡软化点＞100℃。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的高密度聚乙烯的熔点为130-140℃，粘均分子量为100000-220000克/摩尔，在230℃，2.16kg条件下熔融指数为0.5-10g/10min。高密度聚乙烯更高的分子量(更低的熔融指数)能增强材料熔体强度，赋予材料更好韧性，但是高分子量使加工过程变得困难。选择合适的范围有利于加工和提高材料韧性。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的改性纳米填料为改性纳米蒙脱土、改性纳米碳酸钙、改性纳米二氧化铈、改性纳米二氧化钛、改性纳米二氧化硅中的一种或多种。所述的改性纳米填料均通过聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性而成。其中改性纳米填料的制备方法为：将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：(1-2)的质量比充分混合，30-50℃下超声分散2h-5h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至80-90℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。通常使用偶联剂来减少纳米粒子的团聚和改善填料与基体界面的相容性，但由于小分子偶联剂的作用有限，改性效果受到一定程度限制。以聚甲基丙烯酸甲酯改性纳米填料，PMMA与纳米填料的强相互作用(化学键)能显著提高纳米填料与聚丙烯基体的界面相容性，使纳米材料均匀分散在聚丙烯基体中，使纳米填料的作用发挥最大。且使用的改性物PMMA是本发明所需要用到的添加物之一，故不必考虑使用其它改性物引起的相容性问题。
进一步优选，所述的改性纳米填料为改性纳米碳酸钙与改性纳米二氧化钛按质量比(1-2):1复配使用。改性纳米碳酸钙与改性纳米二氧化钛之间的协同作用，可有效提高聚丙烯材料的力学性能和抗老化性能。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-MAH)、马来酸酐接枝聚乙烯(PE-MAH)、马来酸酐接枝苯乙烯嵌段共聚物(SEBS-MAH)、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物(POE-MAH)和马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-MAH)中的一种或多种。进一步优选，所述的相容剂为马来酸酐接枝聚丙烯(PP-MAH)和马来酸酐接枝聚乙烯(PE-MAH)按(2-3)：1复配使用。使用此配比的相容剂，材料各组分间的相容效果最佳，使得各组分共混呈现的性能最优。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的增透剂为二苄叉山梨醇衍生物(YS-688)。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的抗老化剂包括抗氧化剂、光稳定剂，所述的抗氧化剂为受阻酚类、亚磷酸酯类中的一种或多种。进一步优选，所述的抗氧剂为抗氧剂168和抗氧剂1010的复配，抗氧剂168与抗氧剂1010的质量比1：(1-2)。所述的光稳定剂为二苯甲酮类、三唑类、受阻胺类中的一种或多种，作为优选，所述的光稳定剂为光稳定剂UV326、光稳定剂UV327、光稳定剂UV329、光稳定剂UV531、光稳定剂UV 770、光稳定剂UV 622的一种或多种。
在上述透明抗老化水杯的复合材料中，作为优选，所述的润滑剂为单硬脂酸甘油脂、氧化聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。
本发明的另一个目的在于提供一种上述透明抗老化的水杯制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)按上述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒；
(2)将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到210-280℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯。
其中双螺杆转速为100-400rpm，双螺杆挤出机各段温度分别为：一区180-190℃，二区190-200℃，三区200-210℃，四区210-220℃，五区210-220℃，六区210-220℃，机头温度为200-210℃。其中热流道温度为260-320℃，模具温度为50-90℃，注射压力为160-200MPa，保压压力为130-160MPa，保压时间为5-30s，冷却时间为20-60s。
与现有技术相比，本发明透明抗老化水杯的复合材料采用无规共聚聚丙烯和等规聚丙烯组成的聚丙烯混合物、PMMA、HDPE、改性纳米填料合理配伍，通过各组分之间良好的协同作用，大大提高了材料的力学性能、抗冲击强度、抗老化性以及透光性能，赋予水杯更高透明性、抗老化性及抗冲击强度。且制备方法简单，适合工业化大规模生产。
附图说明
图1为本发明创造的结构示意图。
图中：1-杯底，2-杯壁，3-杯口。
具体实施方式
以下通过实施例结合附图更加详细地阐述本发明内容，但是下述实施例只是用于对本发明的内容进行阐述，而不是限制，因此在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
如图1所示，一种透明抗老化的水杯，包括圆形的杯底1、圆形的开口3及连接开口和杯底的杯壁2，所述水杯的直经由杯底1自开口3逐渐变大，且杯壁2上呈轴向阶梯状设置；所述水杯由复合材料制成，所述的复合材料包括以下重量份数的成分：聚丙烯：50-75份、聚甲基丙烯酸甲酯：25-35份、高密度聚乙烯：6-18份、改性纳米填料：5-12份、相容剂：5-15份、增透剂：0.01-0.3份、抗老化剂：0.02-0.3份、润滑剂：0.1-0.8份。下面通过具体实施例进一步说明。
表1：本发明的实施例中透明抗老化水杯复合材料的各成分及其重量份数
其中，润滑剂为单硬脂酸甘油脂、氧化聚乙烯蜡、乙撑双硬脂酰胺中的一种或多种。可根据实际生产需要添加。
其中表1中英文缩写分别对应如下：
PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯
HDPE：高密度聚乙烯
SEBS-MAH：马来酸酐接枝苯乙烯嵌段共聚物
PP–MAH：马来酸酐接枝聚丙烯
PE-MAH：马来酸酐接枝聚乙烯
YS-688：二苄叉山梨醇衍生物。
实施例1
制备改性纳米填料，将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：1的质量比充分混合，30℃下超声分散2h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至80℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。
按表1的实施例1中所述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒；将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到210℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯。
其中，双螺杆转速为200rpm，双螺杆各段温度设置为：一区180℃，二区200℃，三区200℃，四区210℃，五区210℃，六区210℃，机头温度200℃。热流道温度为260℃，模具温度为50℃，注射压力为160MPa，保压压力为130MPa，保压时间为5s，冷却时间为20s。
实施例2
制备改性纳米填料，将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：2的质量比充分混合，40℃下超声分散3h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至85℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。
按表1的实施例2中所述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒，将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到230℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯。
其中，双螺杆转速为100rpm，双螺杆各段温度设置为：一区190℃，二区200℃，三区210℃，四区210℃，五区220℃，六区220℃，机头温度210℃。热流道温度为320℃，模具温度为80℃，注射压力为200MPa，保压压力为160MPa，保压时间为10s，冷却时间为30s。
实施例3
制备改性纳米填料，将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：1.5的质量比充分混合，50℃下超声分散2h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至90℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。
按表1的实施例3中所述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒，将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到250℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯。
其中，双螺杆转速为400rpm，双螺杆各段温度设置为：一区185℃，二区195℃，三区200℃，四区220℃，五区220℃，六区210℃，机头温度210℃。热流道温度为280℃，模具温度为70℃，注射压力为180MPa，保压压力为150MPa，保压时间为30s，冷却时间为60s。
实施例4
制备改性纳米填料，将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：2的质量比充分混合，45℃下超声分散5h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至80℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。
按表1的实施例4中所述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒，将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到280℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯。
其中，双螺杆转速为200rpm，双螺杆各段温度设置为：一区190℃，二区190℃，三区200℃，四区215℃，五区2155℃，六区220℃，机头温度210℃。热流道温度为300℃，模具温度为90℃，注射压力为190MPa，保压压力为140MPa，保压时间为20s，冷却时间为40s。
实施例5
制备改性纳米填料，将甲基丙烯酸甲酯与纳米粒子按照1：2的质量比充分混合，30℃下超声分散5h，在超声分散后的溶液中加入引发剂偶氮二异丁腈，升温至80℃，引发甲基丙烯酸甲酯聚合，将聚合物抽滤清洗干燥，得到粉末聚甲基丙烯酸甲酯包覆改性纳米粒子。
按表1的实施例5中所述透明抗老化水杯的复合材料组成成分及其重量百分比称取原料，并将各原料在高混机中混合，将混合好的原料从高混机中排出，倒入喂料机种，由喂料机喂入双螺杆挤出机中，挤出造粒，将制得的造粒添加到料筒中，同时将高速注塑机中的料筒加热到260℃，加热到熔融状态；将熔融状态的造粒经过热流道的喷嘴注射到加热后的水杯模具中，经保压、冷却成型、开模制得透明抗老化的水杯
其中，双螺杆转速为300rpm，双螺杆各段温度设置为：一区190℃，二区195℃，三区205℃，四区210℃，五区210℃，六区220℃，机头温度205℃。热流道温度为310℃，模具温度为65℃，注射压力为185MPa，保压压力为155MPa，保压时间为25s，冷却时间为35s。
为了进一步证明本发明的技术要点，本发明设计了一系列对比试验进行验证。
表2本发明的对比例中透明抗老化水杯复合材料的各成分及其重量份数
对比例1：
按照表2中对比例1中所述复合材料的各组份重量份数称取原料，其他工艺同实施例1，不再赘述。
对比例2
按照表2中对比例2中所述复合材料的各组份重量份数称取原料，其他工艺同实施例2，不再赘述。
对比例3
按照表2中对比例3中所述复合烯材料的各组份重量份数称取原料，其他工艺同实施例3，不再赘述。
对比例4
按照表2中对比例4中所述复合烯材料的各组份重量份数称取原料，其他工艺同实施例4，不再赘述。
将实施例1-5与对比例1-4制得的水杯进行性能测试，测试结果如表3和表4所示。
表3本发明实施例1-5的透明抗老化水杯性能测试结果
表4本发明对比例1-4的水杯性能测试结果
从表3和表4中可得：对比例1相对于实施例1以及对比例2相对于实施例2性能方面有所下降，这是因为对比例1和对比例2相对于实施例1和实施例2的无规共聚聚丙烯和等规聚丙烯的配比不合适，导致性能下降。对比例3相对实施例3缺少PMMA以及HDPE的加入，导致对比例3中的硬度、抗冲击强度、透明度以及抗老化性能有所下降。可以看出，本发明水杯具有良好的透明度、抗老化作用，且力学性能优异，抗冲击强度大，不易破碎，使用寿命长。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。