玻璃纤维增强聚丙烯复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，具体设及一种低翅曲、高尺寸稳定性、高刚性的 玻纤增强聚丙締复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 聚丙締 PP是一种广泛应用的通用塑料，具有优良的综合性能及成型加工型、相对 低廉的价格，加入玻璃纤维GF不仅能有效弥补聚丙締的性能缺陷，且能进一步降低材料成 本，是当前汽车用聚丙締材料改性的焦点之一。
[0003] 随着当前汽车轻量化、环保化需求的日益突出，高性价比的玻璃纤维增强热塑性 复合材料是一种理想的解决方案，具有加工简便、易注塑、纤维分布均匀等特点，适合用于 汽车中形状复杂的次承力结构部件。W前端框架为例，性能要求相对较低、产量更大的小型 乘用车已逐步采用可注塑成型的玻璃纤维增强热塑性颗粒料，其中杰出范例就是长玻纤增 强材料LFT，但由于粒子中所含纤维长，对部件成型时模具的诱口、流道、结构设计要求很 高，且加工产量偏低、成本偏高，不利于在汽车上大规模推广，而运些正是短玻纤增强材料 SFT的优势所在。
[0004] 然而，短玻纤增强聚丙締复合材料的自身缺陷也是非常突出，最明显的就是由于 其粒子中所含增强纤维的分布长度过短(05~0.8mm)，大大低于长玻纤增强聚丙締的2~ 3mm，因而，不仅在纤维增强效果及材料力学性能方面明显更低，且对注塑制件的整体支撑 效果也非常有限，制品容易翅曲、变形，尤其是在用于一些低厚度（含2mm)的大型平坦制件 如底护板、发动机舱罩盖、后备箱盖等时尤其突出。因此，传统的解决方法如 CN201210281373中所述的浅缩痕、低翅曲玻纤增强聚丙締材料，采用各向同性的矿物填充 体来部分替代一维取向的玻纤增强体，虽然能改善其材料的形变程度，但增强效果相对有 效的矿粉的使用，在一定程度上降低了材料的刚性及强度;CN201310465800也采用了类似 的解决方案，虽然玻纤粉的增强效果优于矿物体系，但长度的损失使材料的整体力学性能 仍处于相对较低的水准；已有的案例表明，各向同性的粉末体系引入能在一定程度上改善 纤维增强材料的取向程度，但是W部分降低材料的力学性能为代价，且其改性侧重点单纯 依赖纤维增强体系，而忽略了纤维增强复合材料的整体效果，尤其是基体改性的效果，因 此，运并不能真正应对当前汽车塑代钢"的轻量化趋势对所用高性能玻纤增强聚丙締产 品的核屯、需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种玻璃纤维增强聚丙締复合材料 及其制备方法。
[0006] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：
[0007] 本发明的第一目的在于提供一种玻璃纤维增强聚丙締复合材料，包括W下重量份 的原料： 聚丙稀 50~撕重量份 短玻璃纤维增强体系 10~50重量份
[000引 界面相容剂 5~10重量份 微结构调整助剂 0.5~3重量份
[0009] 所述的微结构调整助剂由聚丙締结晶成核剂和纳米功能母粒组成；其中，聚丙締 结晶成核剂为0.2~1重量份，纳米功能母粒为0.3-2重量份。
[0010] 进一步的，所述的聚丙締为均聚聚丙締，在230°c、2.1服g的测试条件下，其烙融指 数为2~20g/min。
[0011] 进一步的，所述的短玻璃纤维增强体系选自截面呈圆形短切玻璃纤维、楠圆形短 切玻璃纤维、S角形短切玻璃纤维中一种或几种，纤维直径为7~13um，短切长度为3~ 4.5um〇
[0012] 进一步的，所述的界面相容剂为马来酸酢接枝聚丙締 PP-MAH，接枝率为1.0%。
[0013] 进一步的，所述的聚丙締结晶成核剂选自聚丙締6、有机憐酸盐类成核剂、芳香胺 类成核剂、稀±化学物的中一种或几种。
[0014] 进一步的，所述的纳米功能母粒为W聚丙締 PP为载体的400-80化m纳米级分散尺 度无机矿物增强粒子，其固体含量为5~20wt %。
[0015] 本发明的第二目的在于提供一种玻璃纤维增强聚丙締复合材料的制备方法，所述 方法包括W下步骤：
[0016] (1)先按如下重量份称取聚丙締、界面相容剂、微结构调整助剂，混合均匀，得到混 合原料，然后称取短玻璃纤维增强体系； 聚丙婦 50~80重量份 短玻璃纤维增强体系 10~50重量份
[0017] 界面相容剂 5~10重量份 微结构调整助剂 化5~3重量份
[0018] 所述的微结构调整助剂由聚丙締结晶成核剂和纳米功能母粒组成；其中，聚丙締 结晶成核剂为0.2~1重量份，纳米功能母粒为0.3-2重量份；
[0019] (2)将上述混合原料干燥后，置于晒合同向双螺杆挤出机的主喂料仓中，经喂料螺 杆加入到挤出机的机筒内，将短玻璃纤维增强体系从侧喂料口加入到挤出机中，挤出机螺 杆直径为35mm，长径比L/D为40，主机筒从加料口到机头出口的各分区溫度设定为:60°C、 180 °C、200 °C、210 °C、220 °C、220 °C、220 °C，主机转速为200转/分钟，经烙融挤出、冷却、造 粒、烘干处理，制得玻璃纤维增强聚丙締复合材料。
[0020] 通过本发明的技术方案制备得到的高性能玻纤增强聚丙締复合材料，具有极其优 异的抗翅曲特性及尺寸稳定性，同时，避免加入粉体对复合材料刚性指标的降低，较好应对 了汽车轻量化设计下大型结构制件对原材料的性能指标要求。发明的侧重点在于选择的不 同形状、直径的短切玻纤增强体复配，在纳米功能母粒的辅助分散作用下，纤维的取向及分 散分布状况均有了明显的改善，因此，良好分布的增强体系对聚丙締基体的支撑效果更好， 从而赋予复合材料更好的尺寸稳定性及抗翅曲形变能力。玻纤含量在20%时，复合材料翅 曲量同比常规材料降低40%~50%，而随着玻纤含量的进一步提升至50%，复合材料的翅 曲变形量趋近于零，且在环境交变条件下也保持了类似的尺寸效果;更重要的是，运种尺寸 特性的获得并不是W牺牲复合材料的刚性为代价，相反材料的弯曲性能指标较常规材料有 30 %~40 %的提高幅度，弯曲强度最高可到170M化，弯曲模量在9500MPa W上，其各项性能 指标及加工成型表现已经趋近同等玻纤含量的长玻纤增强聚丙締复合材料，表明研究所得 的高性能短玻纤增强聚丙締复合材料在前端框架、天窗框架、仪表板骨架、发动机舱罩盖、 发动机底部护板等大型结构制件或功能件方面有着良好的应用前景。
[0021] 通过独特的多形状玻纤增强体的选择及复合搭配，辅W界面增容剂、微结构调整 剂对复合材料基体、界面的有效调整，使制得改性后的玻纤增强聚丙締复合材料具备分布 尺寸更小、分散程度更高、取向合理增强体系，加上助剂对聚丙締基体结晶性能的有效调 整，其晶体规整性高、结晶速率快，从而保证了材料具备极好的抗翅曲特性及高低溫环境中 的尺寸稳定性，同时，由于避免使用低增强效果的矿物体系，材料的主要刚性、强度指标如 弯曲强度及模量、无缺口冲击强度等不仅没有降低，反而有部分程度的改善，尤其冲击性能 的改善尤为明显，材料的各项性能指标能满足各大品牌主机厂的相关材料标准。
[0022] 与现有技术相比，本发明的积极效果如下：
[0023] 本发明针对传统的短玻纤增强聚丙締材料因玻纤长度低、分布不均匀，加上聚丙 締结晶速率低，晶体结构不完整而导致易翅曲、易变形，刚性不足的缺陷，采用了结构、直径 有差异的玻纤增强体系搭配，并在高效界面增容及快速的结晶成核辅助作用下，共同构建 分布均匀、界面粘结良好的有机-无机两相增强体系。所得的聚丙締复合材料的翅曲形变较 传统材料降低30%~60%，尤其是低含量的玻纤增强体系表现的更加突出，材料刚性指标 如弯曲强度、弯曲模量同比提升30%，同时材料收缩率更低，在高低溫环境中均具备优异的 尺寸稳定性，是一种尺寸稳定性好、刚性高的汽车大型结构件专用改性材料。
【具体实施方式】
[0024] 下面通过具体的实施方式对本发明做进一步的说明，所述实施例仅用于说明本发 明而不是对本发明的限制。
[0025] 本发明实施例所用原料：
[0026] PP-1:均聚丙締，结晶度乂(3>65%，韩国化17]\1^曰6，烙融指数1。1?为12邑/1〇111111(230 °C、2.16Kg)。
[0027] PP-2:均聚丙締，结晶度Xe >60%，北方华锦，烙融指数MFR为5g/10min(230°C、 2.16Kg)〇
[0028] 短切玻纤-1:ECS-305H，直径为13皿，短切长度4.5111111，重庆玻纤〔口1(：。
[0029] 短切玻纤-2: SS-10-420，粉状玻纤，短切长度0.3mm，直径11微米，日本东洋纺织公 司。
[0030] 短切玻纤-3:CSG 3Pk820,异性玻纤，异性比为2,直径13um，短切长度3mm，日本东 洋纺织公司。
[0031 ]界面相容剂:马来酸酢接枝聚丙締 CMG-5001，南通日之升新材料有限公司，化学测 试接枝率为0.8%。
[0032]聚丙締结晶成核剂-1 :TMA-5,有机憐酸盐类成核剂，山西化工研究所。
[0033] 聚丙締结晶成核剂-2: PA6,黏度2.45,宁波亨润集团；
[0034] 聚丙締结晶成核剂-3:WBG-II，稀±类成核剂，广东巧林纳新材料科技股份有限公 司。
[0035] 纳米功能母粒:M2005，纳米碳化娃纤维增强母粒，上海超威纳米科技有限公司。
[0036] 产品性能测试：
[0037] 拉伸性能:按IS0527-2标准进行，测试速率为5mm/min。
[003引弯曲性能:按IS178标准进行，跨距为64mm，测试速率为2mm/min。
[0039] 冲击性能:按IS0179-1标准在简支梁冲击试验机上进行，样条缺口为A型。
[0040] 翅曲性能测试:在注塑机上制备尺寸为355X70X3.2的样板，将其一段固定于平 面上，测试另一端于平面直径的高度差(cm)。
[0041 ] 收缩率测试:按ISO 294-4标准进行测试，标准样板为210X 140X3.2mm，测试垂直 流动方向分别测试。
[0042] 线性膨