专利名称：一种热塑性聚酯合金纳米复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种聚酯合金材料及其制备方法，具体地，是先对纳米无机材料 进行有机化处理，然后与热塑性聚酯等复合从而得到高性能耐热高分子材料。
背景技术：
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)为乳白色半透明到不透明、结晶型热塑性聚 酯。具有较高耐热性、韧性、耐疲劳性，自润滑、低摩擦系数，耐候性、低吸水 率(仅为0.1%)等特性，并且在潮湿环境中仍保持各种物性(包括电性能)，电 绝缘性好，但体积电阻、介电损耗大。耐热水、碱类、酸类、油类、但易受卤化 烃侵蚀，耐水解性差，低温下可迅速结晶，成型性良好；相比其他工程塑料具有 合成技术难度较低等优异综合性能而引人注目，是制造电子/电气零件和汽车零 部件的很好的材料；分子链的刚性和高的结晶性都导致了PBT结晶收缩率大，尺 寸稳定性差，热变形温度低，这两个突出缺点成为PBT推广应用的障碍。 一般通 过共混改性的方法来改善其性能，主要有玻璃纤维填充改性或与其他聚合物共混 改性，能够得到较好的耐热性和高的强度。但单纯用玻纤改性所需含量大(30%wt 左右)，表面光洁度差，影响了制品的美观和轻量化。戚嵘嵘等研制的增韧增强 聚对苯二甲酸丁二醇酯(CN1537891)加入了纳米材料来提升其性能，但其玻纤 加入量最高达60份，可能对制品表面不利，在一些场合下不能够达到免底漆喷 涂的效果，增大了处理工序，成本增加；渡边满(CN1519591)采用了聚对苯二甲 酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，并加入了一些非纤填料，结果获得
了高光泽度、高光滑度并免底漆喷涂的光发射器材料，但由于聚酯合金之间的酯 交换反应存在，可能劣化了其综合性能。
本发明利用PET比PBT具有更高的热稳定性、更好的流动性和更低的收縮率， 及纳米颗粒特异的表面效应和小尺寸效应，将纳米颗粒的成核效应及PBT/PET基 体结构控制有效地结合起来，通过纳米颗粒在PBT/PET基体中的有效分散及界面 结构控制，纳米粒子得到了高度的分散，有效的抑制了聚酯合金间的酯交换反应，
4制备了三元纳米复合材料，大大提高了其耐热性和制品的表面光洁度，同时也提 高了材料的强度和模量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热塑性聚酯合金纳米复合材料，按质量百分数 计，由50 98%的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、 0 40%的聚对苯二甲酸乙二 醇酯(PET)、 0. 1 5%的经偶联剂进行表面处理过的无机纳米材料、0 5%的抗 氧剂和/或润滑剂等助剂组成。
本发明的又一目的在于提供上述一种热塑性聚酯合金纳米复合材料的制备 方法，首先，将上述各组分共同加入高速搅拌机混合均匀，转速为500 7500转 /分，混合时间5 10分钟；然后在双螺杆挤出机中进行挤出，温度范围为210 265°C，熔融共混造粒制得。
其中，PBT推荐使用其均聚物，特性粘数[il]为0.8 1.0 (乌氏粘度法)，密 度为1.20 1.34 g/cm3; PET的加入是提高制品的表面光滑度和光洁度的基本成 分，它具有比PBT更高的熔融温度，加入量太少不能获得高光泽度和优异的表面 光滑性的制品，加入量太大则不仅致使酯交换反应程度增大，还劣化了制品的性 能，外观光泽度降低，因此优选的质量百分比为10 30%;推荐使用的抗氧剂为 四[e-(3， 5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010，汽巴精化 (Ciba)公司出品)、N，N-双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰]肼(抗氧剂 1098，汽巴精化(Ciba)公司出品)禾B/或三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯(抗氧 剂168，汽巴精化(Ciba)公司出品)；本发明所述的润滑剂是硅酮、硅油、白蜡油、 液体石蜡、硬脂酸锌或硬脂酸钙，或由它们组成的混合物。优选为硅酮或硬脂酸 钙，加入质量百分含量为O. 1 2%。
本发明所述的无机纳米材料至少在一维方向上的尺度为纳米级，分散相尺度 为10 100nm，可以是纳米粘土、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、 纳米氧化锌或纳米三氧化二铝中一种或二种的复配物。优选为纳米二氧化硅、纳 米碳酸钙和纳米粘土。偶联剂为硅垸偶联剂(KH550、 KH560、 KH570)、钛酸酯偶 联剂(JN114、 JN198)、铝酸酯偶联剂(SG-A1821)中一种，用量为无机纳米材 料质量的1 12%。优选的偶联剂为KH550、 JN114，推荐使用量为纳米无机材料的3 8%。
无机纳米的表面处理方法为偶联剂溶于无水乙醇中超声分散均匀后得到偶 联剂分散液；无机纳米材料则分散于去离子水中得到无机纳米材料分散液，将所 述偶联剂逐滴加入所述无机纳米材料分散液中，2h内加完后，在机械搅拌及加 热的条件下，反应2 4h; 65 105'C干燥，气流粉碎后，获得处理好的纳米粉 体。
本发明制备的热塑性聚酯合金纳米复合材料，纳米粒子得到了高度的分散， 分散尺寸可达到50 100nm左右，有效地抑制了合金间的酯交换反应，显著提高 了聚酯基体的耐热性，具有良好的表面光洁度，降低了成本，同时也提高了其拉 伸强度和弯曲模量，可广泛应用于汽车和电子工业零部件制造业。
图1是实施例1制备的热塑性聚酯合金纳米复合材料的场发射扫描照片 (FE-SEM)。
具体实施例方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是以下实施例只 用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专 业技术人员根据本发明的内容作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的 保护范围。
实施例1
将纳米二氧化硅(CAB-0-SIL M-5)在12(TC下干燥2h后，超声分散于去离 子水中得到水分散液；称取占纳米二氧化硅质量为3%的KH550分散于无水乙醇 中；分散好的偶联剂逐滴加入纳米二氧化硅水分散液中，2h内加完后，在机械 搅拌及加热的条件下，反应3h;在85'C真空干燥，气流粉碎后，获得处理好的 纳米二氧化硅。
聚对苯二甲酸丁二醇酯在12(TC下干燥4h，聚对苯二甲酸乙二醇酯在145°C下干燥4h，之后将80质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、20质量份的聚对苯二甲 酸乙二醇酯、2质量份的处理好的纳米二氧化硅、0. 15质量份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好，加入双螺杆挤出机中，调节转速为300 600r卿，在210 265。C下熔融挤出，造粒获得目标物。其FE-SEM图见图1。
实施例2
将纳米二氧化硅(CAB-0-SILM-5，粒径20nm，表面积200m7g)在120。C下 干燥2h后，超声分散于去离子水中得到水分散液；称取占纳米二氧化硅质量为 3%的KH550分散于无水乙醇中；分散好的偶联剂逐滴加入纳米二氧化硅水分散 液中，2h内加完后，在机械搅拌及加热的条件下，反应3h;在85'C真空干燥， 气流粉碎后，获得处理好的纳米二氧化硅。
聚对苯二甲酸丁二醇酯在12(TC下干燥4h，聚对苯二甲酸乙二醇酯在145°C 下干燥4h，之后将90质量份的聚对苯二甲酸乙二醇酯、IO质量份的处理好的纳 米二氧化硅、0. 15质量份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好， 加入双螺杆挤出机中，调节转速为300 600rmp，在235 275"C下熔融挤出，造 粒获得母粒。
然后，将20质量份的母粒、80质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、0. 15质量 份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好，加入双螺杆挤出机中， 调节转速为300 600rmp，在210 265。C下熔融挤出，造粒获得目标物。
实施例3
将粒径为20 50nm的纳米碳酸钙在12(TC下干燥2h后，超声分散于去离子 水中得到纳米碳酸钙水分散液；称取占纳米碳酸钙质量为5%的偶联剂JN114分 散于无水乙醇中；将分散好的偶联剂逐滴加入纳米碳酸钙水分散液中，2h内加 完后，在机械搅拌及加热的条件下，反应3h;在85"C真空干燥，气流粉碎后， 获得处理好的纳米碳酸钙。
聚对苯二甲酸丁二醇酯在120'C下干燥4h，聚对苯二甲酸乙二醇酯在145°C 下干燥4h，之后将80质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、20质量份的聚对苯二甲 酸乙二醇酯、3质量份的处理好的纳米碳酸钙、1.2质量份的硬脂酸钙、0. 15质量份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好，加入双螺杆挤出机 中，调节转速为300 600rmp，在210 265。C下熔融挤出，造粒获得目标物。
实施例4
将纳米蒙脱土 NA-醒T (90咖ol/100g)在12(TC下干燥2h后，超声分散于去 离子水中得到水分散液；称取占纳米蒙脱土质量为8%的偶联剂KH550分散于无 水乙醇中；将分散好的偶联剂逐滴加入纳米蒙脱土水分散液中，2h内加完后， 在机械搅拌及加热的条件下，反应3h;在85'C真空干燥，气流粉碎后，获得处 理好的纳米蒙脱土。
聚对苯二甲酸丁二醇酯在12(TC下干燥4h，聚对苯二甲酸乙二醇酯在145°C 下干燥4h，之后将80质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、20质量份的聚对苯二甲 酸乙二醇酯、2质量份的处理好的纳米蒙脱土、 0. 15质量份的抗氧剂1010、 0. 15 质量份的抗氧剂168直接混合好，加入双螺杆挤出机中，调节转速为300 600r即，在210 265。C下熔融挤出，造粒获得目标物。
对比例1
聚对苯二甲酸丁二醇酯在12(TC下干燥4h，聚对苯二甲酸乙二醇酯在145°C 下干燥4h，之后将80质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、20质量份的聚对苯二甲 酸乙二醇酯、0.15质量份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好， 加入双螺杆挤出机中，调节转速为300 600rmp，在210 265。C下熔融挤出，造 粒。
对比例2
将纳米二氧化硅(CAB-O-SIL M-5) 12(TC下干燥2h后，超声分散于去离子 水中得到水分散液；称取占纳米二氧化硅质量为3X的偶联剂KH550分散于无水 乙醇中；将分散好的偶联剂逐滴加入纳米二氧化硅水分散液中，2h内加完后， 在机械搅拌及加热的条件下，反应3h;在85'C真空干燥，气流粉碎后，获得处 理好的纳米二氧化硅。
聚对苯二甲酸丁二醇酯在12(TC下干燥4h，之后将98质量份的聚对苯二甲酸丁二醇酯、2质量份的处理好的纳米二氧化硅、0. 15质量份的抗氧剂1010、 0. 15质量份的抗氧剂168直接混合好，加入双螺杆挤出机中，调节转速为300 600rmp，在210 265。C下熔融挤出，造粒。
按上述完成的粒料，13(TC干燥4h，然后将干燥后的粒料按表l中的标准注 塑成型制样，测试结果同时列于表1中。
表1
样品拉伸强度(MPa) ASTM D638弯曲模量(MPa) ASTM D790HDT (。C， 0. 45MPa) ASTM D648
纯PBT54.92222. 0155.0
对比例161.42836. 8169. 2
对比例257. 82563. 4178.8
实施例164. 72938.7187. 3
实施例262. 82899. 2182. 7
实施例361.82816.4180. 6
实施例462. 42909. 3183.9
由表1和图1看出，偶联剂处理的纳米二氧化硅在PBT/PET基体中实现了高 度纳米级的分散，分散尺度为50 100咖(见图1)。与对比例相比，由改性纳米 二氧化硅、PBT、 PET和抗氧剂组成热塑性聚酯合金纳米复合材料，热变形温度 显著提高，最高达187.3。C，拉伸强度与弯曲模量也均有明显提高，可广泛应用 于汽车和电子工业零部件的制造。
权利要求
1、一种热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于以质量百分比表示，所述复合材料由50～98％的聚对苯二甲酸丁二醇酯、0～40％的聚对苯二甲酸乙二醇酯、0.1～5％的经偶联剂处理过的无机纳米材料、0～5％的助剂为原料组成；所述助剂是抗氧剂和/或润滑剂，所需比例为1∶20～10∶1；所述偶联剂的质量是所述无机纳米材料质量的1～12％。
2、 根据权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于，所述聚 对苯二甲酸丁二醇酯为均聚物，特性粘数[H]为0.8 1.0，密度为1.20 1.34 g/cm3，质量百分含量为60 98%。
3、 根据权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于，所述聚 对苯二甲酸乙二醇酯的质量百分比是10 30%;所述偶联剂的质量是所述无机 纳米材料质量的3 8% 。
4、 根据权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于，所述经 偶联剂处理过的无机纳米材料至少在一维方向上的尺度为纳米级，分散相的尺度 为10 100nm，所述分散相是纳米粘土、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧 化钛、纳米氧化锌及纳米三氧化二铝中的一种或二种的复配物。
5、 根据权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于，所述润 滑剂是硅酮、硅油、白蜡油、液体石蜡、硬脂酸锌及硬脂酸钙中的一种或几种组 成的混合物，质量百分含量为O. 1 2%。
6、 根据权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料，其特征在于，所述的 抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂1098及亚磷酸三苯酯 中的一种或几种组成的混合物，所述抗氧剂质量百分含量为0. 1 1%。
7、 权利要求1所述的热塑性聚酯合金纳米复合材料的制备方法，其特征在于， 首先将质量百分比为40 98%的聚对苯二甲酸丁二醇酯、0 40%的聚对苯二甲 酸乙二醇酯、0. 1 5%的经偶联剂处理过的无机纳米材料、0 5%的助剂共同加 入高速搅拌机混合均匀，转速为500 7500转/分，混合时间5 10分钟；在双 螺杆挤出机中熔融共混造粒，温度范围为210 265'C;所述助剂是抗氧剂和/或润滑剂；所述经偶联剂处理后的无机纳米材料至少在一维方向上的尺度为纳米级，分 散相的尺度为10 100nm，所述分散相是纳米粘土、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、 纳米二氧化钛、纳米氧化锌及纳米三氧化二铝中的一种或二种的复配物。
8、 根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述无机纳米材料由下列方 法制得先将占所述无机纳米材料质量为1 12%的所述偶联剂溶于无水乙醇中 进行超声分散得到偶联剂溶液；无机纳米材料则均匀分散于去离子水中得到无机 纳米材料的分散液；然后将所述偶联剂溶液逐滴加入所述无机纳米材料的分散液 中，2h内加完后，在机械搅拌及加热的条件下，反应2 4h; 65 105'C下干燥， 气流粉碎后，获得处理好的纳米粉体；所述偶联剂为硅垸偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中一种。
9、 根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述润滑剂是硅酮、硅 油、白蜡油、液体石蜡、硬脂酸锌及硬脂酸钙中的一种或几种组成的混合物；所述的抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂1098及亚 磷酸三苯酯中的一种或几种组成的混合物。
全文摘要
本发明涉及一种热塑性聚酯合金纳米复合材料及其制备方法，该复合材料的组成与质量百分含量为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)50～95％，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)0～40％，用偶联剂进行表面处理过的无机纳米材料0.1～5％，其他助剂0～5％；以上各组分在210～265℃下一起熔融共混后制得所述热塑性聚酯合金纳米复合材料。该方法制备的聚酯合金纳米复合材料，纳米粒子得到了高度的分散，有效的抑制了聚酯合金间的酯交换反应，显著提高了聚酯基体的耐热性，具有良好的表面光洁度，降低了成本，同时也提高了其拉伸强度和弯曲模量，可广泛应用于汽车和电子工业零部件的制造。
文档编号C08L67/02GK101481494SQ200910045458
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者玲 张, 张天水, 李春忠 申请人:华东理工大学