一种耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及高分子材料，具体涉及一种耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、托辊是带式输送机中使用量最大的重要部件之一，用于支撑输送带和物料的重量，在采矿、化工、焦化、钢铁、冶金等行业中得到广泛应用。由于托辊长期暴露于露天、粉尘大、腐蚀性高的各类恶劣环境中，与物料及输送带之间频繁接触和摩擦，托辊的质量与其综合性能特别是机械强度、耐磨性、耐腐蚀性以及低温韧性等性能息息相关。目前托辊管筒一般采用钢铁材质或塑料材质，钢铁材质的管筒存在重量大、能耗高、易腐蚀和磨损等缺陷，使用寿命短；塑料材质的管筒通常由超高分子量聚乙烯或pa-6制成，超高分子量聚乙烯虽然具有高耐磨性和高抗冲击性，但是易燃、可加工性较差且价格昂贵；pa-6机械强度高、耐疲劳性能突出，但是不耐强酸及氧化剂的腐蚀，且具有吸湿性，对注塑工艺要求较高。

2、聚氯乙烯（pvc）是由氯乙烯单体（vcm）在过氧化物、偶氮化合物等引发剂或在光、热作用下按自由基聚合反应机理聚合而成的聚合物。pvc分子链中含有的-cl赋予其优良的阻燃性，该类聚合物机械强度高、耐化学腐蚀性能特别是耐强酸腐蚀性能优异、绝缘性良好，且价格低廉、生产工艺简单。聚氯乙烯凭借上述优势成为管道与管件的主要材质，然而耐磨性与低温韧性差限制了聚氯乙烯在托辊管筒上的应用。

3、现有技术一般采用多种耐磨助剂复配或添加无机纳米材料以提高pvc的耐磨性。采用多种耐磨助剂复配虽然可以在一定程度上提高聚pvc材料的耐磨性，但是由于pvc材料的韧性不佳，往往需要选用一种增韧剂提高pvc的韧性，该种方法使用助剂种类多，且在耐磨助剂的选用上对粒径要求比较苛刻，因为粒径的大小影响了耐磨助剂在pvc中的分散性，对pvc韧性影响也较大。添加无机纳米材料能使pvc材料的耐磨性能得到显著改善，但该种方法制得的pvc材料韧性相对较低，运输和使用过程容易脆裂，再者，无机纳米材料在pvc中不容易分散，加工性能相对也较差。

技术实现思路

1、针对现有技术中聚氯乙烯因为耐磨性与低温韧性差导致其难以应用于托辊管筒的制备中的问题，本发明提供一种耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料及其制备方法和应用，利用mbs树脂、cpe树脂之间的协同作用改善了聚氯乙烯的低温韧性，利用改性纳米氧化铝在保证聚氯乙烯的韧性不受影响的条件下，改善了聚氯乙烯的耐磨性。

2、第一方面，本发明提供一种耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料，包括如下重量份数的原料：pvc树脂100份、稳定剂1.3-5份、内润滑剂0.5-1.5份、外润滑剂0.5-1.5份、加工助剂1.5-3.5份、mbs树脂1-12份、cpe树脂0-8份、填料5-15份、改性纳米氧化铝5-10份。

3、进一步的，pvc树脂的聚合度为1000-1500。本发明将pvc树脂的聚合度控制在1000-1500的较窄范围内，一方面能够保障pvc树脂的加工性能和力学性能相对稳定，另一方面有利于兼顾pvc树脂的可加工性与力学性能。

4、进一步的，改性纳米氧化铝的制备方法包括如下步骤：

5、步骤一：将纳米氧化铝、偶联剂与分散剂混合，得到混合料；

6、步骤二：对步骤一所得混合料进行球磨处理；

7、步骤三：将改性剂加入球磨机中继续球磨处理，得到改性纳米氧化铝粗产物；

8、步骤四：将步骤三所得改性纳米氧化铝粗产物离心、洗涤、干燥后得到改性纳米氧化铝。

9、其中，球磨处理采用的球磨介质粒径为0.05-0.5mm。球磨介质为氧化锆珠、碳化硅、氮化硅中的任意一种。球磨处理能够粉碎纳米氧化铝，促进纳米氧化铝与改性剂、分散剂混合，还可以对改性纳米氧化铝进行分级。

10、进一步的，步骤一中，纳米氧化铝、偶联剂、分散剂的质量比为1：0.3-0.6：20-600。

11、进一步的，步骤二中，球磨处理的温度为30-60℃，球磨处理的转速为100-800rpm，球磨处理时间为2-6h。

12、进一步的，步骤三中，球磨处理的温度和转速均与步骤二中的相同，纳米氧化铝和改性剂的质量比为1-9：1，继续球磨处理的时间为6-8h。

13、进一步的，偶联剂为钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、硅烷偶联剂类中的任意一种。分散剂为水或有机溶剂，有机溶剂为二氯乙烷、丙酮、乙酸乙酯中的任意一种。改性剂为聚丙烯酸酯类聚合物，聚丙烯酸酯类聚合物为聚甲基丙烯酸羟乙酯或丙烯酸酯与苯乙烯单体共聚物，丙烯酸酯与苯乙烯单体共聚物优选acr树脂。聚丙烯酸酯类聚合物可以包覆纳米氧化铝，提高纳米氧化铝与pvc树脂的相容性；分散剂能够使改性纳米氧化铝均匀分散，防止改性纳米氧化铝团聚。

14、进一步的，步骤四中，改性纳米氧化铝的目数为800-2500，改性纳米氧化铝包覆层厚度8-26nm。

15、进一步的，稳定剂为有机锡稳定剂、钙锌稳定剂、铅盐稳定剂的任意一种或两种，优选钙锌稳定剂。钙锌稳定剂具有较好的热稳定性和耐候性，且在pvc树脂中分散性良好，是一种无毒环保的稳定剂。

16、内润滑剂为硬脂酸酯类聚合物、氧化聚乙烯蜡、多元醇脂类聚合物中的至少一种。内润滑剂可在聚氯乙烯托辊管材加工过程中减少pvc分子链之间、pvc与助剂之间的摩擦力，改善pvc树脂与改性纳米氧化铝的相容性。多元醇脂类聚合物还具有耐低温性以及优异的耐磨性能，与mbs树脂和cpe树脂共同作用，提高聚氯乙烯托辊管材的耐低温性与耐磨性。

17、外润滑剂为pe蜡、石蜡中的任意一种或两种。

18、进一步的，填料为纳米碳酸钙或纳米硫酸钡。纳米活性碳酸钙能够提高聚氯乙烯托辊管材的弯曲强度与弯曲模量，改善聚氯乙烯托辊管材的热稳定性，纳米活性碳酸钙还可以与cpe树脂协同具有增加聚氯乙烯托辊管材的韧性。纳米活性硫酸钡是一种具有环保功能的无机填料，不但可以在不降低聚氯乙烯托辊管材冲击强度的前提下增加抗冲击强度、弯曲强度和弯曲模量，还可以降低成本，使管材具有优良的耐候性，使聚氯乙烯托辊管材可以应用于恶劣的露天环境下，同时也赋予聚氯乙烯托辊管材高热导性和流变性，缩短材料的成型周期。加工助剂为丙烯酸酯类共聚物。丙烯酸酯类共聚物可以增强聚氯乙烯托辊管材的耐候性与耐化学腐蚀性，同时可以改善聚氯乙烯托辊管材的耐磨性。丙烯酸酯类共聚物还可以促进pvc树脂塑化，改善pvc树脂的加工性能。

19、第二方面，本发明提供一种如上所述的耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

20、步骤（1）：按比例称取pvc树脂、稳定剂、内润滑剂、外润滑剂、加工助剂、mbs树脂、cpe树脂、填料和改性纳米氧化铝，将上述原料导入高混机中进行搅拌并加热，得到混料，当混料温度达到120℃时转入低速混料机中搅拌冷却至45℃，将冷却后的混料排入料斗，待用；

21、步骤（2）：将料斗中待用的混料加入至双螺杆挤出机中挤出造粒，双螺杆挤出机各区的温度控制如下：机筒一区130-145℃，机筒二区140-150℃，机筒三区145-155℃，机筒四区145-160℃，机筒五区145-165℃，机筒六区150-165℃，得到聚氯乙烯纳米复合材料颗粒。

22、第三方面，本发明提供一种如上所述的耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料在制备托辊管材中的应用，包括如下步骤：

23、s1：将聚氯乙烯纳米复合材料颗粒加入至挤出机中挤出成型，挤出机各区的温度控制如下：机筒一区150-160℃，机筒二区155-165℃，机筒三区155-170℃，机筒四区160-170℃，机头一区170-180℃，机头二区170-180℃，机头三区175-180℃，机头四区175-185℃，机头五区180-190℃，机头六区170-180℃，得到聚氯乙烯纳米复合材料管体；

24、s2：对s1所得聚氯乙烯纳米复合材料管体进行定径，待管体冷却后，按照所需尺寸对管体进行切割，得到耐低温、高强度、高耐磨聚氯乙烯纳米复合材料托辊管材。

25、如上所述的耐低温高强度、高耐磨、聚氯乙烯纳米复合材料托辊管材可用于煤矿带式输送机、托辊管体或轴承座中。

26、本发明的有益效果在于：

27、本发明选用的mbs树脂与cpe树脂作为复合增韧剂可在pvc中形成明显的网-岛结构，提高了pvc在低温条件下的冲击性能。使用cpe树脂提高纳米复合聚氯乙烯的低温韧性与抗冲击性能；使用mbs树脂增强纳米复合聚氯乙烯的韧性并提高cpe树脂与pvc树脂之间的相容性；使用稳定剂提高纳米复合聚氯乙烯的热稳定性，以保障纳米复合聚氯乙烯管材在挤出成型的过程中不会因为受热而分解、变色。

28、本发明通过在pvc树脂中引入自制改性纳米氧化铝，在保证复合聚氯乙烯的弯曲强度、弯曲模量不受影响的条件下，改善了聚氯乙烯的低温韧性与耐磨性。本发明采用改性剂丙烯酸酯类共聚物包覆改性纳米氧化铝，使纳米氧化铝在pvc中的分散更加均匀，结合能力更强，在不降低pvc韧性的同时，提高了pvc的耐磨性能。改性剂丙烯酸酯类共聚物本身还能够促进pvc塑化，改善pvc的加工性能。