一种低介电常数聚丙烯复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种低介电常数聚丙烯复合材料及其制备方法 (Low-dielectric-constant polypropylene composite material and preparation method thereof ) 是由 李飞 周海 闫溥 刘云轩 叶文杰 王灿耀 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低介电常数聚丙烯复合材料的制备方法,包括以下步骤：植物纤维改性→将改性植物纤维与玻璃纤维以1：(1-3)的质量比混合均匀,得到混合纤维→混料→挤出。植物纤维改性先后利用碱液与硅烷偶联剂处理植物纤维,可有效去除植物纤维表面的灰尘以及角质层,进一步并提高界面结合力,降低介电常数,有效改善了聚丙烯材料的翘曲性以及外观浮纤状态。本发明还公开了一种低介电常数聚丙烯复合材料,各项性能指标优异,可适用于当前5G基站天线罩外壳。(The invention discloses a preparation method of a low dielectric constant polypropylene composite material, which comprises the following steps: modifying plant fiber → mixing the modified plant fiber with glass fiber in a ratio of 1: and (1) uniformly mixing the components in the mass ratio of (1-3) to obtain mixed fibers → mixed materials → extrusion. The plant fiber is modified by sequentially using the alkali liquor and the silane coupling agent to treat the plant fiber, so that dust and cuticle on the surface of the plant fiber can be effectively removed, the interface binding force is further improved, the dielectric constant is reduced, and the warping property and the appearance floating fiber state of the polypropylene material are effectively improved. The invention also discloses a low dielectric constant polypropylene composite material which has excellent performance indexes and can be suitable for the radome shell of the current 5G base station.)
技术领域
本发明涉及高分子材料改性技术领域，具体是一种低介电常数聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
聚丙烯是五大通用塑料之一，因其性价比高，综合性能优异被广泛应用于汽车、家电等生活用品领域；尤其近些年来随着轻量化以及环保的考虑，聚丙烯改性材料也逐步应用到5G产品的应用领域当中，尤其在基站领域发挥及其重要的作用。
低介电常数的聚丙烯材料，由于其兼具低密度、低成本特点，被视为5G通讯设备外壳的理想材料。当前主流采用的玻纤增强聚丙烯材料，其介电常数为2.4-2.7，很难得到进一步降低。介电常数大，对信号损耗也较大；因而制备一种介电常数更低的，综合性能优异的聚丙烯改性材料具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低介电常数聚丙烯复合材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低介电常数聚丙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1:将植物纤维放入碱液中浸泡30min以上，洗涤至中性后，放入偶联剂中浸泡20min以上，经洗涤、过滤、烘干后，得到改性植物纤维；
S2：将所述改性植物纤维与玻璃纤维以1：(1-3)的质量比混合均匀，得到混合纤维；
S3：将聚丙烯和其他助剂混合均匀得到混合料；其中，所述其他助剂包括相容剂、抗氧剂、耐候剂和润滑剂；
S4：将所述混合料和混合纤维分两区加入挤出机中，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料。
作为本发明进一步的方案：所述植物纤维选自黄麻纤维、竹纤维、剑麻纤维、亚麻纤维、木质纤维中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：所述碱液选自NaOH、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3中的至少一种饱和水溶液。
作为本发明进一步的方案：所述偶联剂为硅烷偶联剂。
作为本发明进一步的方案：所述玻璃纤维为直径11-14um的无碱短切玻璃原丝。
作为本发明进一步的方案：按照质量份计，步骤S3的所述混合料中，聚丙烯、相容剂、抗氧剂、耐候剂和润滑剂的质量比为(62-77)：3：0.4：0.3：0.1。
作为本发明进一步的方案：步骤S4中，所述混合料与混合纤维的质量比为(65-81)：(20-40)。
作为本发明进一步的方案：所述相容剂选自马来酸酐接枝聚丙烯、马来酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、乙烯-丙烯酸甲酯马来酸酐共聚物中的至少一种；所述抗氧剂选自为抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种；所述耐候剂选自受阻胺或受阻酚类中至少一种；所述润滑剂选自聚乙烯蜡、褐煤酸蜡中的至少一种。
作为本发明进一步的方案：所述挤出机为双螺杆挤出机，其包括顺次排布的十节筒体，各筒体温度依次为190℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃、190℃、190℃、200℃、210℃，机头温度设定为200℃，螺杆转速设定为400rpm；所述混合料从第一节筒体喂入，所述混合纤维从第六节筒体喂入。
本发明另一方面公开了如上述制备方法制备出的一种低介电常数聚丙烯复合材料，适用于制作当前5G基站天线罩外壳。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
植物纤维表面具有蓬松的多孔结构，形成架桥似的表面空腔结构，其特殊的物理结构在聚丙烯树脂体系中赋予了聚丙烯复合材料低介电常数优势，以满足5G时代对信号传递的损耗需求。硅烷偶联剂有利于提高植物纤维与聚丙烯基体的界面粘接性能，解决亲水性的植物纤维和疏水性聚合物之间相容性差的问题。此外，先后利用碱液与硅烷偶联剂处理可有效去除植物纤维表面的灰尘以及角质层，进一步并提高界面结合力，降低介电常数，有效改善了聚丙烯材料的翘曲性以及外观浮纤状态。玻纤具有机械性能高的优点，同时其密度高、介电常数高的缺点，而玻纤虽然机械性能欠佳，但具有密度低、介电常数低的优势，通过将玻纤和植物纤维以一定比例共混可弥补二者的缺点，得到一种综合性能高的、作为5G通讯设备外壳的理想材料的聚丙烯复合材料。本发明制备工艺操作简单，工艺步骤容易控制，适宜大规模工业化生产，并符合当前碳中和主流思路。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体的实施例对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
以下实施例和对比例中采用的原料具体信息如下：
组分A
聚丙烯，牌号为M60RHC，厂家为镇海炼化；
组分B
B1：玻璃纤维，牌号为248A，厂家为欧文斯科宁(中国)有限公司上海分公司；
B2：竹纤维，厂家为霍山丰乐生物能源科技有限公司；
B3：木纤维，厂家为沧州渤滨保温材料有限公司；
B4：黄麻纤维，厂家为沧州渤滨保温材料有限公司；
组分C
马来酸酐接枝聚丙烯，牌号为CA100，厂家为法国阿科玛公司；
组分D
D1：氧化高密度聚乙烯蜡，牌号PED 521，厂家为德国科莱恩特种化学品有限公司；
D2：抗氧剂1010，厂家为天津利安隆；
D3：抗氧剂168，厂家为天津利安隆；
D4，耐候剂3808PP5，厂家为美国氰特；
所有材料均为市售常规常用产品。
可以理解的是，以上原料试剂仅为本发明一些具体实施方式的示例，使得本发明的技术方案更加清楚，并不代表本发明仅能采用以上试剂，具体以权利要求书中的范围为准。此外，实施例和对比例中所述的“份”，如无特别说明，均指重量份。
本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
本发明的实施例和对比例中的双螺杆挤出机参数如下：包括顺次排布的十节筒体，各筒体温度依次为190℃、210℃、210℃、210℃、200℃、200℃、190℃、190℃、200℃、210℃，机头温度设定为200℃，螺杆转速设定为400rpm。所述混合料从第一节筒体喂入，所述混合纤维从第六节筒体喂入。
实施例1
S1:将竹纤维放入饱和NaOH水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂KH550中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性竹纤维；
S2：取15份玻璃纤维与5份改性竹纤维混合均匀，得到混合纤维；
S3：称取77份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S4：将步骤S3中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料E1。
实施例2
S1:将木纤维放入饱和NaHCO3水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂KH570中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性木纤维；
S2：取15份玻璃纤维与10份改性木纤维混合均匀，得到混合纤维；
S3：称取72份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S4：将步骤S3中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料E2。
实施例3
S1:将黄麻纤维放入饱和Ca(OH)2水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂A-151中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性黄麻纤维；
S2：取15份玻璃纤维与15份改性黄麻纤维混合均匀，得到混合纤维；
S3：称取67份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S4：将步骤S3中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料E3。
实施例4
S1:将黄麻纤维放入饱和Ca(OH)2水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂A-151中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性黄麻纤维；
S2：取20份玻璃纤维与10份改性黄麻纤维混合均匀，得到混合纤维；
S3：称取67份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S4：将步骤S3中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料E4。
实施例5
S1:将黄麻纤维放入饱和Ca(OH)2水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂A-151中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性黄麻纤维；
S2：取25份玻璃纤维与15份改性黄麻纤维混合均匀，得到混合纤维；
S3：称取62份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S4：将步骤S3中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料E5。
对比例1
S1：称取30份玻璃纤维待用；
S2：称取67份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S3：将步骤S2中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S1中的30份玻璃纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得聚丙烯复合材料D1。
对比例2
S1：取15份玻璃纤维与15份黄麻纤维混合均匀，得到混合纤维；
S2：称取67份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S3：将步骤S2中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，将步骤S2中的混合纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得聚丙烯复合材料D2。
对比例3
S1:将黄麻纤维放入饱和Ca(OH)2水溶液中浸泡30min，洗涤至中性后，放入硅烷偶联剂A-151中浸泡20min，经洗涤、过滤、80℃烘干2h后，得到改性黄麻纤维；
S2：称取67份聚丙烯、3份相容剂、0.1份润滑剂、0.2份抗氧剂1010、0.2份抗氧剂168、0.3份耐候剂混合均匀得到混合料；
S3：将步骤S2中的混合料从双螺杆挤出机的第一节筒体喂入，取30份改性黄麻纤维从第六节筒体喂入，经熔融、挤出、造粒，得低介电常数聚丙烯复合材料D3。
将实施例1-5制得的低介电常数聚丙烯复合材料E1-5和聚丙烯复合材料D1-2制样后进行测试，具体测试项目和方法如下：
介电性能测试：按GB/T 12636-90采用微波介质基片复介电常数带状线法，样品规格为60mm*60mm*2mm，测试频率为2.5GHz。
浮纤等级评价：将聚丙烯复合材料用抛光模具制成样板，利用二次原相仪对表面进行观察，取特定区域2mm*2mm范围样板表面出现的玻纤根数分为5个等级，等级越低表示表面外观越好，反之越差；其中，1级表示玻纤数量在30根以下，2级表示玻纤数量在30～60根之间，3级表示玻纤数量在60～100根之间，4级表示玻纤数量在100～200根之间，5级表示玻纤数量在200根以上。
翘曲度测试方法：将所得圆形片材一端固定在平面上，测量另一端的顶点与平面的高度差，即为翘曲度，圆片厚度2mm，直径10cm。
力学性能测试：拉伸强度按ISO 527测试，弯曲强度、弯曲模量按ISO 178测试，悬臂梁缺口冲击强度按ISO 180测试；均在常温23℃条件下测试。
测试结果如表1所示。
表1
根据表1数据进行分析，从实施例1-3中来看，随着表面改性植物纤维添加量的增加，复合材料的介电常数与介电损耗均逐步降低，样板表面浮纤与翘曲程度也逐步得到改善；从实施例3与对比例2可以看出，植物纤维经表面改性处理之后，不仅介电常数与介电损耗降低的更多，而且由于表面改性之后的植物纤维与PP树脂体系相容性更好，其复合材料力学性能更加优异。各项性能指标均适用于当前5G基站天线罩外壳。从实施例3与对比例1和对比例3结合来看，E3的各方面综合性能最好，而D1的介电常数过高，D2的机械性能不足。通过一定比例的植物纤维和玻纤共混，可弥补玻纤和植物纤维各自的缺点，既避免了纯玻纤增强体系介电常数与介电损耗较高的劣势，又避免了纯植物纤维填充体系综合力学性能偏低的缺点。
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。
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