一种高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特点是该高强高韧聚丙烯多层材料是由聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替层叠形成，两相呈现特殊的双连续结构。其中增强层可以为包含取向晶体的纯聚丙烯材料，或者为填充了增强相的聚丙烯材料；增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含垂直于层界面生长的β晶结构。本发明专利技术解决了普通制备工艺无法同时制备大量的取向晶体和β晶，无法实现聚丙烯同时自增强自增韧效果的问题。本发明专利技术操作简单，可连续性生产，生产效率高，具有广阔的工业化和市场前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，属于高分子材料加工的

技术介绍
聚丙烯由于价格低廉及优异的综合性能，被广泛应用于汽车、家电、包装、建筑、家居等各个领域。尽管聚丙烯的结构规整，结晶度高，但其拉伸强度通常在25~35Mpa，且其韧性较差，特别是低温韧性，因此远不能满足作为结构材料使用的力学性能要求。如何构筑具有高强高韧聚丙烯材料已经成为一个亟待解决的问题。目前，高强高韧聚丙烯的制备方法主要是将聚丙烯/弹性体/无机刚性粒子三元复配，通过控制分散相形态来实现（Polymer2006,47:2106-2115）。然而，这种增强增韧方法存在诸多的弊端。为了得到特殊的分散相形态，通常需多步加工，工艺过程复杂，成本较高，不利于连续化生产；三元体系中分散相形态的控制很困难，这使得材料性能稳定性差；最后，为了增强分散相与基体的相互作用，一般会使用相容剂或表面活性剂，组分增多，造成加工流动性变差，加工困难。在自然界中，贝壳具有高韧性和高强度。人们通过分析贝壳的微观结构，发现其是由文石片碳酸钙（约95%）及有机质（约5%）交替层叠而成，这种软硬交替结构，使其断裂能量是普通碳酸钙材料的3000倍，达到了力学上的强韧最佳组合。因此，将增强相和增韧相通过层层叠加的方式组合起来是可能实现聚丙烯高强高韧的途径。受此启发，人们已采用不同方法制备出一系列高强高韧材料，如Burghard等利用低温化学浴沉积技术制备了TiO2层并结合多层聚电解质PE的组装得到了仿贝壳珍珠层复合薄膜，该复合材料的断裂韧性、硬度和杨氏模量都达到最大值（NanoLett,2009,9:4103-4108）。然而这些材料的制备方法繁琐，不易在工业上大规模制造，且材料层结构难以调控，增强相与增韧相界面粘接强度较弱，限制了其应用。作为半结晶性聚合物，聚丙烯的宏观性能与其结晶性能息息相关。通过流动场的作用，使聚丙烯的晶体形态从各向同性的球晶演变为各向异性的取向晶体，可大幅度提高聚丙烯的强度（Polymer,2015,78:120-133）。通过加入β成核剂、温度梯度场、流动场的作用，使聚丙烯结晶为β晶型，可提高其韧性（Polymer,1996,37,2309-2316）。因此，在聚丙烯中同时生成取向晶体和β晶，是可能实现聚丙烯“自增强”和“自增韧”的方法。值得注意的是，在流动场的作用下，聚丙烯既能生成取向晶体，又能生成β晶。但是，目前的研究发现，流动场下，聚丙烯主要生成取向晶体，β晶含量较少（Polymer,52:2970-2978），因而传统方法仍然难以实现聚丙烯的自增强和自增韧。
技术实现思路
本专利技术涉及到一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，能够满足聚丙烯材料在结构、制备方法和用途上的更高要求。该高强高韧聚丙烯多层材料是由聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替层叠形成，两相呈现特殊的双连续结构；且该材料的层数和层厚可控，配方可调；所需原料均为市售，生成成本低，不使用任何有机溶剂，清洁环保；制备方法简单，生成效率高且可以连续批量生产。本专利技术通过如下技术原理来构筑具有高强高韧的聚丙烯多层材料：（1）高取向分子链内部诱导的取向晶体作为增强相，贡献“高强度”；（2）高取向分子链与低取向分子链界面生成β晶作为增韧相，将增强相连接起来，贡献“高韧性”；（3）增强层和增韧层相互作用强，大量连续的层界面可以对应力分布以及传递产生影响，并对微裂纹的形成及扩展产生偏转作用。具体讲，本专利技术解决上述问题所采用的技术方案是，新型高强高韧聚丙烯材料是由聚丙烯基物料分别熔融塑化，获得一定初始结构后，再经过n次层状叠合，获得多层结构：（1）所述聚丙烯多层材料为聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替排布形成的；（2）所述聚丙烯增强层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿平行于层界面生长的取向晶体结构，或者为填充了增强相的聚丙烯基多组分材料；所述聚丙烯增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿垂直于层界面生长的β晶结构；（3）所述初始结构是由聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层叠合而成的二层结构，或者是由聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层叠合而成的三层结构，或者是由聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层叠合而成的三层结构。上述聚丙烯增强层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿平行于层界面生长的取向晶体结构，或者为填充了增强相的聚丙烯基多组分材料，其中增强相是超高分子量聚乙烯、高分子量聚乙烯、交联聚乙烯、交联聚丙烯、交联剂、尼龙、聚酯、高强度填料中的一种或多种。上述填充了增强相的聚丙烯基多组分材料中增强相添加量为0.01~20wt%，所述高强度填料为无机纤维、有机纤维、晶须、碳纳米管中的一种或多种。上述聚丙烯增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿垂直于层界面方向生长形成的β晶结构。上述新型高强高韧聚丙烯材料中聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层的单层厚度为20nm～500μm。本专利技术提供了上述新型高强高韧聚丙烯材料的制备方法，该制备方法是由两种聚丙烯物料分别经两台挤出机熔融塑化，在汇流器出口处叠合在一起形成一定初始结构后，经过n个层倍增器的切割和叠合，再经过牵引冷却装置冷却定型。上述制备方法中，可通过对两台挤出机挤出速率比、层倍增器数量、层倍增器温度、聚丙烯分子量、聚丙烯增强层中填料添加量、聚丙烯增强层中填料类型、牵引冷却装置的牵引速率的调节对该材料的晶体形态及性能进行调控。上述制备方法中，可通过汇流器中的切换器对流道数进行调控而获得该材料初始结构：2个流道得到的初始结构为2层，3个流道得到的初始结构为3层。上述制备方法中，可通过调控初始结构的层数和层倍增器数量，来调控材料的层数：（1）当初始结构为2层，并使用n个层倍增器时，材料的层数为2(n+1)层，其中：n为0～14；（2）当初始结构为3层，并使用n个层倍增器时，材料的层数为2(n+1)+1层，其中：n为0～14。上述高强高韧聚丙烯材料的应用，包括用于制备高强度制品、抗冲击制品、抗弯曲制品，耐摩擦制品等。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术提供的新型高强高韧聚丙烯材料中聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层分别起到增强和增韧的作用，聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替排布形成双连续结构，可控层状结构和相界面的存在，可以对应力分布以及传递产生影响，并对微裂纹的形成以及扩展产生偏转作用，实现了聚丙烯的增强增韧；（2）本专利技术提供了一种制备高强高韧聚丙烯材料的方法，操作简单，控制方便；通过调节汇流器的流道数，可以调整所述交替多层材料的初始层数为2层或3层；通过调节和控制两台挤出机的挤出速率比，可以调整聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层的厚度；通过控制层倍增器的数量，可以调节所述交替多层材料的总层数；（3）通过本专利技术的制备方法，在聚丙烯中同时生成大量取向晶体和β晶，实现了聚丙烯的增强增韧，拓宽了聚丙烯材料的应用范围，具有广阔的工业化和市场应用前景。附图说明图1为本专利技术所涉及的微纳层状共挤装置的结构示意图。在图中，A，B：挤出机；C：连接器；D：汇流器；E：层倍增器；F：牵引冷却装置；G：样品图2为交替层状HPP(1005)/LPP(F401)晶体形貌具体实施方法有必要在此指出，下面实施例只是对本专利技术的进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本
技术实现思路
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【技术保护点】
一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于，该材料是由两种聚丙烯基物料分别熔融塑化，获得一定初始结构后，再经过n次层状叠合，获得多层结构：(1) 所述聚丙烯多层材料为聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替排布形成的;(2) 所述聚丙烯增强层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿平行于层界面生长的取向晶体结构，或者为填充了增强相的聚丙烯基多组分材料；所述聚丙烯增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿垂直于层界面生长的β晶结构;(3) 所述初始结构是由聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层叠合而成的二层结构，或者是由聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层叠合而成的三层结构，或者是由聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层叠合而成的三层结构。

【技术特征摘要】
1.一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于，该材料是由两种聚丙烯基物料分别熔融塑化，获得一定初始结构后，再经过n次层状叠合，获得多层结构：(1)所述聚丙烯多层材料为聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层交替排布形成的;(2)所述聚丙烯增强层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿平行于层界面生长的取向晶体结构，或者为填充了增强相的聚丙烯基多组分材料；所述聚丙烯增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿垂直于层界面生长的β晶结构;(3)所述初始结构是由聚丙烯增强层和聚丙烯增韧层叠合而成的二层结构，或者是由聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层叠合而成的三层结构，或者是由聚丙烯增韧层、聚丙烯增强层、聚丙烯增韧层叠合而成的三层结构。2.根据权利要求1所述的一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于所述聚丙烯增强层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿平行于层界面生长的取向晶体结构，或者为填充了增强相的聚丙烯基多组分材料，其中增强相是超高分子量聚乙烯、高分子量聚乙烯、交联聚乙烯、交联聚丙烯、交联剂、尼龙、聚酯、高强度填料中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于聚丙烯增韧层为一种纯聚丙烯材料，其中包含沿垂直于层界面方向生长形成的β晶结构。4.根据权利要求1所述的一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于，所述填充了增强相的聚丙烯基多组分材料中增强相添加量为0.01～20wt%,所述高强度填料为无机纤维、有机纤维、晶须、碳纳米管中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的一种新型高强高韧聚丙烯多层材料的制备方法，其特征在于，两种聚丙烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭少云，罗珊珊，沈佳斌，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51