专利名称：超临界流体快速扩散法合成纳米碳酸钙增强的微晶聚丙烯复合材料的制作方法
技术领域：
本发明属于材料科学中的高分子复合材料领域，涉及一种纳米碳酸钙增强的微晶 聚丙烯复合材料及其先进的制备方法。本发明改善了微纳米填充颗粒在聚丙烯基体中的扩 散难题，并改善了聚丙烯的结晶形态，使球晶尺寸大大减小。利用超临界二氧化碳急剧扩散 的方法制备出的纳米复合材料，具有流动性好，硬度高、尺寸稳定性好、抗刮擦等特点，是一 种理想的高档汽车专用料。
背景技术：
在汽车改性塑料中，以聚丙烯PP为基体的改性塑料是当前应用最广的一种，在改 性方法中又以无机物填充改性为主。随着新技术的发展，PP填充材料也快速发展，纳米复合 化是其重要发展方向之一。纳米技术是20世纪80年代后期发展起来的新技术，现已在很多 领域得到应用。近年来，纳米碳酸钙也相继研制出来，它对PP的结晶有明显的异相成核作 用，提高了材料的结晶完善性和热变形温度，对材料的力学性能也有明显的改善，低温和常 温冲击性能都得到改善。然而由于纳米颗粒间剧烈的团聚趋势，如何使纳米碳酸钙均勻分 布于PP中从而使填充相与基体达到较好的接合，变成了当今改性塑料领域的一个难点。目 前最常用的解决此问题的方法便是在双螺杆挤出过程中加入适量的偶联剂，此方法很难保 证批次之间的材料的性能稳定性，并且一些有机溶剂的使用也不利于环保生产的理念。因 此在不加任何偶联剂的情况下，用一种新型环保工艺使纳米填充物与树脂基体实现均勻混 合便突显出了其深远的意义。
发明内容
本发明专利运用超临界CO2快速扩散技术对PP进行填充改性，实现了纳米碳酸钙 在PP中的均勻分布，从而大大提高改性后材料的稳定性，及力学性能。在生产过程中超临 界二氧化碳以其独特的气液二相性对PP有塑化的作用，降低了 PP的熔融温度，同时超临界 CO2的高扩散，渗透性使CaCO3均勻分布于PP中。本发明研制出了一种高性能的纳米CaCO3 填充的微晶PP粉末，微晶的效果要归因于整个体系从超临界到常温常压的急剧扩散过程， 正是由于转变的急剧性使PP的晶核来不及长大，球晶尺寸的大幅度降低，使其光学性能得 到改善，透明度大大增加，且微晶结构有利于降低最终注塑产品的收缩，提高了产品的尺寸 稳定性。
图1是超临界二氧化碳快速扩散工艺系统示意图，如图所示，将CO2气体与PP树 脂及填料共混后注入反应釜(RV)，经过高温(HJ)高压搅拌(MS)，形成超临界共混体系，之 后将共混临界体系混合物经含加热喷嘴的球阀扩散至收集釜(CV)，最终结晶得到PP改性 材料。
具体实施例方式
超临界二氧化碳快速扩散工艺被用在此发明中作为纳米复合PP材料的制备工 艺。此系统采用了新颖的反应釜收集釜垂直设计(如图所示)，有利于材料的质量传递，且 降低了堵塞喷嘴的几率。整个系统的工作过程可概括为初始压强为5MPa的CO2(CC)2在气 缸中的压强)通过注射泵注入反应釜中，罩在反应釜周围的加热装置对反应釜中的纳米碳 酸钙与PP的初混体系进行加热，同时电磁搅拌器对整个材料系统进行快速搅拌，当系统的 压强与温度达到预定的数值，在此发明中此数值设为25MPa和200°C。在此条件下混合1小 时后，打开球阀，使整个材料体系迅速通过喷嘴扩散至收集釜中，由于温度与压强的急剧降 低，使熔融PP迅速凝固结晶，由于冷却速度快，使PP的球晶来不及长大，加之均勻分布于PP 中的纳米CaCOJfPP有异相形核的作用，使PP的晶格结构完整，结晶度高，从而提高了材料 的力学性能。不难看出本发明的应用其实很广，除了 可直接生成改性PP，通过改变CaCO3与 PP的配比还可制成填充母料，由于其制品的粒度小，流动性好，从而使其在基体树脂中的分 布均勻。通过此技术还可制备其他无机纳米颗粒如纳米陶瓷/生物陶瓷填充改型的PP或 工程塑料如尼龙等。
权利要求
一种以超临界流体快速扩散法合成的纳米碳酸钙增强的微晶聚丙烯复合材料，是一种新型的高档汽车专用料。
2.根据权利要求1，所述的纳米碳酸钙颗粒度为80-150nm.
3.根据权利要求1，一种先进的制备工艺超临界流体扩散法用来制备纳米复合材料， 包括步骤如下(1)纳米碳酸钙与基体树脂(PP)在超临界二氧化碳反应釜中进行均勻混 合，釜内温度和压强分别为200°C和25MPa ；⑵混合1小时后反应体系通过反应釜下端喷 嘴扩散至常温常压的收集釜中；(3)由于压力与温度的急剧下降，PP迅速结晶且晶格来不 及长大而形成微晶结构。
4.根据权利要求3，其特征在于两个反应釜(反应釜和收集釜)为垂直设置，两釜之间 以喷嘴连接，且喷嘴处有加热装置，此设置减小了质量扩散距离且喷嘴不易发生堵塞现象。
5.根据权利要求3，其特征在于超临界二氧化碳的高渗透、高溶解性，使纳米CaCO3在 熔融PP中均勻混合、分布，从而在不用任何偶联剂的情况下，解决了纳米填充物在PP中分 布不均的难题。
6.根据权利要求3，当碳酸钙填充的熔融PP经直径为500um喷嘴扩散至收集釜中时， PP迅速凝固结晶形成微小的球晶结构，大大强化了 PP粉的流动性及力学性能。
全文摘要
本发明运用超临界CO2快速扩散技术对PP进行填充改性，实现了纳米碳酸钙在PP中的均匀分布，从而大大提高改性后材料的稳定性，及力学性能。在生产过程中超临界二氧化碳以其独特的气液二相性对PP有塑化的作用，降低了PP的熔融温度，同时超临界CO2的高扩散，渗透性使CaCO3均匀分布于PP中。本发明研制出了一种高性能的纳米CaCO3填充的微晶PP粉末，微晶的效果要归因于整个体系从超临界到常温常压的急剧扩散过程，正是由于转变的急剧性使PP的晶核来不及长大，且球晶尺寸的大幅度降低，使其光学性能得到改善，透明度大大增加，且微晶结构有利于降低最终注塑产品的收缩，提高了产品的尺寸稳定性，是一种理想的高档汽车专用料。
文档编号C08K3/26GK101824185SQ20091007340
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者宫克难, 韩杰, 马俊杰, 马庆维 申请人:哈尔滨鑫达高分子材料有限责任公司