聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制作方法

本发明涉及聚合物复合材料领域，具体是一种聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料及其制备方法。

背景技术：

热塑性弹性体TPE(Thermoplastic Elastomer)是指一类同时具有热塑性塑料和传统硫化橡胶特性的高分子复合材料，其在常温下具有传统硫化橡胶的高弹性，高温下又能利用热塑性塑料加工设备塑化成型，被称为继天然橡胶、合成橡胶之后的第三类橡胶[Varghese S,et al.Journal of applied polymer science,2004,92:2063]。其中动态硫化热塑性弹性体是采用动态硫化技术制备的弹性体(Thermoplastic Vulcanizate)，简称TPV。聚丙烯/三元乙丙橡胶动态硫化热塑性弹性体(简称PP/EPDM-TPV)兼具聚丙烯与三元乙丙橡胶的优点，具有优异的耐候性和良好的力学性能，因而受到广泛关注。与传统橡胶相比，PP/EPDM-TPV具有加工简便，可反复成型，边角料和废弃物可回收利用等优势，是极具发展潜力的弹性体材料。目前，PP/EPDM-TPV已逐渐取代了传统橡胶，除广泛应用于汽车行业、电线电缆、密封制品等领域外，还广泛用于建筑、医疗等行业。

近几年，为了满足弹性体导电功能化的应用需求，一些研究者开始关注EPDM/PP-TPV的导电功能化改性研究。Ma L F等人[Ma L F,et al.Journal of Materials Chemistry A,2014,2:16989]以CB为导电填料制备PP/EPDM/CB导电复合材料，当CB含量为28wt％时，复合材料的电导率为0.01S/cm。这类PP/EPDM热塑性导电弹性体具有加工简便、可连续生产等优点，可代替昂贵的导电硅橡胶作为导电密封胶条广泛应用在民用电子、通讯、大规模集成电路、医疗设备等领域；此外，由于导电高分子复合材料具有电磁屏蔽特性，经导电功能化改性后的PP/EPDM弹性体还能够作为电磁屏蔽密封条应用于军用车辆等领域以防止电磁波泄密。

为实现热塑性弹性体的导电功能化，添加导电填料是当前的主要手段。碳系填料和金属粉末是当前应用较广的两大类导电填料。其中，碳系填料具有来源广、质量轻、导电性能良好等优点，常用的碳系填料有炭黑、石墨、碳纳米管等。Ranjbar B等人[Ranjbar B,et al.Journal of Applied Polymer Science,2012,123:32-40]以膨胀石墨(EG)为填料制备的PP/EPDM/EG导电复合材料，当EG含量为3.15vol％时，复合材料电导率为10^-5S/cm。金属填料的导电性能和电磁屏蔽性能都明显优于碳系填料，常用的金属填料有银、铜、镍等，但由于金属填料价格昂贵、比重较大，使其应用受到极大限制。

针对目前导电热塑性弹性体电导率低且在电磁屏蔽领域应用空缺的问题，本发明选择镀镍玻璃纤维为导电填料对PP/EPDM-TPV进行导电功能化改性，利用玻璃纤维具有较大长径比、易于在基体中搭接形成网络结构的特点，以及金属镍包覆层优良的导电性和电磁屏蔽特性，使其在极少镍含量下实现对PP/EPDM-TPV的功能化改性，制备具有优异导电性和电磁屏蔽性能的PP/EPDM动态硫化热塑性弹性体。

技术实现要素：

本发明为了解决目前导电热塑性弹性体电导率低且在电磁屏蔽领域应用空缺的问题，提供了一种聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料，其特征在于，是由15.0～30.0wt％聚丙烯(PP)、25.0～45.0wt％三元乙丙橡胶(EPDM)以及40.0～50.0wt％的镀镍玻璃纤维(NCGF)构成的，其中镍在功能复合材料中的含量为1.0～1.4vol％。

本发明将镀镍玻璃纤维作为填料对聚丙烯/三元乙丙橡胶热塑性弹性体进行功能化改性。利用玻璃纤维具有较大长径比、易于搭接的结构特点，实现包覆镍层在聚丙烯/三元乙丙橡胶热塑性弹性体中的连续分布与网络化构建，在极低金属镍含量下形成导电通路，赋予聚丙烯/三元乙丙橡胶热塑性弹性体导电性能。具有高导电性的镀镍玻璃纤维，可显著提高聚丙烯/三元乙丙橡胶热塑性弹性体的电导率及电磁屏蔽效能。

进一步，本发明提供了所述聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，其步骤为：聚丙烯经密炼熔融后与三元乙丙橡胶混炼并混合均匀，随后加入交联剂过氧化二异丙苯使三元乙丙橡胶在与聚丙烯共混过程中发生交联，之后加入镀镍玻璃纤维混炼得到分散均匀的共混物，然后热压成型得到所述聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料；其中交联剂过氧化二异丙苯质量是三元乙丙橡胶质量的1～2wt％。

优选的，所述聚丙烯的密炼时间为3～5min；所述聚丙烯与三元乙丙橡胶的混炼时间为5～8min；之后加入交联剂过氧化二异丙苯后的混炼时间为5～10min；所述的交联之后的聚丙烯与三元乙丙橡胶共混物与镀镍玻璃纤维的混炼时间为10～15min；密炼和混炼的搅拌速度为30～60rpm。

另外，所述密炼和混炼均是在转矩流变仪内实现的。转矩流变仪内的温度为180～200℃。

而且，聚丙烯、三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维共混物是在190～210℃、10～15MPa条件下热压成型的。

本发明所述复合材料的制备方法能有效提高聚丙烯/三元乙丙橡胶热塑性弹性体的电导率，通过改变组分配比，可以调节复合材料的电导率及电磁屏蔽效能，得到具有良好导电性能及电磁屏蔽性能的聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料，是一种高效、低成本、成型工艺简单的导电及电磁屏蔽功能复合材料制备方法。

附图说明

图1为本发明制备的聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料(其中聚丙烯与三元乙丙橡胶的质量比为1:1)的电导率曲线图。从图中可以看出，随着导电填料镀镍玻璃纤维含量的增加，复合材料的电导率显著提高，当镀镍玻璃纤维的含量从30wt％(Ni含量为0.69vol％)增加到40wt％(Ni含量为1.0vol％)时，复合材料的电导率从1.1×10^-8S/m增加到0.42S/m。当镀镍玻璃纤维的含量达到50wt％(Ni含量为1.4vol％)时，复合材料的电导率可高达12S/m。

图2为聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料(其中聚丙烯与三元乙丙橡胶的质量比为1:1)在X波段(8.2GHz～12.4GHz)，其电磁屏蔽效能随频率的变化曲线图。从图中可以看出，随着镀镍玻璃纤维含量上升，复合材料的屏蔽效能逐渐提高，当NCGF含量为50wt％(Ni含量为1.4vol％)时，复合材料屏蔽效能可达到42dB左右，表现出良好的电磁屏蔽性能。

具体实施方式

实施例一：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密炼3min，转速为50rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入17.5g三元乙丙橡胶，混炼5min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.175g过氧化二异丙苯，混炼10min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入23.4g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为29.97:29.97:40.06，混炼10min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在200℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

实施例二：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密炼3min，转速为50rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入17.5g三元乙丙橡胶，混炼5min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.35g过氧化二异丙苯，混炼10min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入28.7g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为27.48:27.48:45.04，混炼10min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在200℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

实施例三：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入17.5g聚丙烯，密炼3min，转速为50rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入17.5g三元乙丙橡胶，混炼5min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.35g过氧化二异丙苯，混炼10min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入35g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为25:25:50，混炼10min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在200℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

实施例四：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入14g聚丙烯，密炼3min，转速为50rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入21g三元乙丙橡胶，混炼5min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.42g过氧化二异丙苯，混炼10min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入35g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为20:30:50，混炼10min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在200℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

实施例五：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至180℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密炼3min，转速为50rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入24.5g三元乙丙橡胶，混炼5min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.245g过氧化二异丙苯，混炼10min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入35g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为15:35:50，混炼10min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在200℃、10MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

表1实施例一到实施例五所制得功能复合材料的电导率及电磁屏蔽效能

实施例六：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至190℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密炼4min，转速为30rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入28.0g三元乙丙橡胶，混炼8min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.42g过氧化二异丙苯，混炼8min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入31.5g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为15:40:45，混炼15min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在190℃、15MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。

实施例七：

聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将转矩流变仪升温至200℃，向其中加入10.5g聚丙烯，密炼5min，转速为60rpm，使聚丙烯充分熔融；

(2)向转矩流变仪中加入31.5g三元乙丙橡胶，混炼6min，使二者均匀混合；

(3)向转矩流变仪中加入0.47g过氧化二异丙苯，混炼5min，得到共混均匀的混合物；

(4)向转矩流变仪中加入28.0g镀镍玻璃纤维，使聚丙烯与三元乙丙橡胶及镀镍玻璃纤维质量比为15:45:40，混炼12min，得到分散均匀的混合物；

(5)将步骤(4)得到的混合物在210℃、12MPa的条件下热压成型，得到聚丙烯/三元乙丙橡胶/镀镍玻璃纤维功能复合材料。