一种功能性复合材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种功能性复合材料及其制备方法 (Functional composite material and preparation method thereof ) 是由 张兴光 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种功能性复合材料及其制备方法。所述功能性复合材料包括基体合成树脂、IFPs及分散润滑剂。制备方法为：将分散润滑剂、IFPs、基体合成树脂在干燥设备中除去水分；将干燥后的分散润滑剂、IFPs混合搅拌均匀,然后挤出造粒,得到分散润滑剂处理后的IFPs；将经过干燥的基体合成树脂加入到分散润滑剂处理后的IFPs中进行混合,搅拌均匀,然后挤出造粒,即得功能性复合新材料。本发明统一了功能性复合新材料的制备方法,不同的基体合成树脂的功能性复合新材料均可按照本发明公开的方法而进行制备。本发明提供的高分散性功能性复合新材料的制备工艺简单,无特殊设备。且工艺灵活。(The invention discloses a functional composite material and a preparation method thereof. The functional composite material comprises matrix synthetic resin, IFPs and a dispersing lubricant. The preparation method comprises the following steps: removing water from the dispersion lubricant, IFPs and the matrix synthetic resin in a drying device; mixing and stirring the dried dispersed lubricant and IFPs uniformly, and then extruding and granulating to obtain IFPs treated by the dispersed lubricant; and adding the dried matrix synthetic resin into the IFPs treated by the dispersed lubricant, mixing, uniformly stirring, and then extruding and granulating to obtain the novel functional composite material. The invention unifies the preparation method of the new functional composite material, and the new functional composite materials of different matrix synthetic resins can be prepared according to the method disclosed by the invention. The preparation process of the high-dispersity functional composite new material provided by the invention is simple and has no special equipment. And the process is flexible.)
技术领域
本发明涉及一种功能性复合材料及其制备方法，属于功能性高分子材料的制备技术领域。
背景技术
抗菌复合新材料是由无机功能性粉体和普通的合成树脂切片按一定的质量比例混合均匀，得到的下游产品中含有一定量的无机抗菌粉体粒子，从而使得下游产品具有抗菌功能。为了表述方便，下文中用英文缩写IFPs(Inorganic-Functional Powders)代替“无机功能性粉体”。
下游产品包括：
(1)如果在纺丝中应用，得到的纱线具有抗菌功能，可用于纺织工业；
(2)如果在无纺布中应用，得到的无纺布具有抗菌功能；
(3)如果在塑料薄膜中应用，得到的塑料薄膜具有抗菌功能；
(4)如果在各种塑料瓶、塑料桶中应用，相应产品具有抗菌功能；
(5)在其他塑料领域中的应用，得到的相关塑料产品均具有抗菌功能。
关于抗菌复合新材料的制备方法、制备工艺的相关文献报道、公开的发明专利非常多，例如：
(1)申请号：201210466062.2；名称：一种果蔬保鲜包装材料抗菌母粒的制备方法。该发明公开了一种果蔬保鲜包装材料抗菌母粒的制备方法，所述抗菌母粒以重量百分数计由下列组分组成：纳米蒙脱土12-14％，纳米二氧化钛7-9％，硅烷偶联剂6-8％，氧化聚乙烯蜡6-8％，甘油单硬脂酰酯4-6％，受阻胺类稳定剂3-5％，余量为聚乙烯树脂；所述制备方法为：使用高速混合机将上述物料充分混匀55-65分钟，转速为280-300转/分；然后在双螺杆挤出造粒机上捏合后挤出制成母粒，捏合时间35-45分钟，螺杆温度160-170℃，螺杆转速270-280转/分。其中，氧化聚乙烯蜡、甘油单硬脂酰酯可作为分散润滑剂，但是这种将所有的原料一起混合，势必使得氧化聚乙烯蜡、甘油单硬脂酰酯不能完全、充分的单独作用于IFPs纳米二氧化钛，所以这种混合造粒的方式不能充分发挥分散润滑剂对IFPs的分散作用，使它们充分地均匀分散。
(2)申请号：CN201710821215.3；名称：一种用于聚丙烯塑料的抗菌母粒及其制备方法。该发明涉及一种用于聚丙烯塑料的抗菌母粒，所述抗菌母粒按重量百分比为：UninedRM抗菌剂5 20％、润滑剂0.3 0.7％、偶联剂0.1 0.3％，余量为聚丙烯塑料树脂。本发明的抗菌母料采用多种化合物，与聚丙烯塑料树脂复合具有良好的分散性和相容性，添加到聚丙烯塑料如聚丙烯PP，其它丙烯共聚物或其它聚烯烃等产品中，既表现出优异的耐老化能力和更好的力学性能，大大延长使用寿命，又具有抗普通病菌、抑制耐药性病菌，高效持久耐水洗，起到净化环境、消除异味、自洁保健，不污染环境和对人体无副作用，利于人们得到更多的健康利益。
(3)申请号：CN202010680444.X；名称：一种抗菌母粒及其制备方法和应用。该发明公开了一种抗菌母粒及其制备方法和应用。该抗菌母粒包括纳米玻璃抗菌剂、聚丙烯树脂和分散剂；纳米玻璃抗菌剂为纳米玻璃载银抗菌剂、纳米玻璃载锌抗菌剂和纳米玻璃载铜抗菌剂中的一种或多种；纳米玻璃抗菌剂的含量为5～12％；百分比为纳米玻璃抗菌剂占抗菌母粒的质量百分比；分散剂中不含有与银离子、锌离子或铜离子发生化学反应的离子。
(4)申请号：CN201811359220.8；名称：聚酰胺抗菌母粒及其生产工艺。该发明公开了一种聚酰胺抗菌母粒及其生产工艺，所述生产工艺包括以下步骤：(1)按重量份称取各原料；(2)将上述各原料在高速混合器中混合15-20min，再加入双螺杆挤出机中经熔融挤出、冷却、切粒，即得。
现有技术的主要缺陷在于：
(1)无机抗菌功能粉体粒子在基体合成树脂中的分散性有待提高。众多的习知技术，简单的总结起来：将各种原料、助剂、抗菌剂等，按照一定的质量比例称取后混合均匀，再进行造粒得到抗菌母粒。造粒过程都是在高于基体合成树脂的熔融温度下进行，经过一次造粒过程，无机抗菌功能粉体粒子在基体合成树脂中不可能得到完全的分散。粒径越小的无机抗菌功能粉体粒子，其分散难度越大。
(2)生产工艺可进一步简化。根据基体合成树脂的种类不同，抗菌复合新材料(抗菌母粒)的种类也繁多。现有技术中没有将不同种类的抗菌复合新材料的制备工艺统一起来，每种抗菌复合新材料都对应一种制备工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提高将无机抗菌功能粉体粒子在基体合成树脂中的分散性，以及如何进一步简化生产工艺。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种功能性复合材料，其包括以质量份数计的基体合成树脂35-78份、IFPs 20-50份及分散润滑剂2-15份；所述的基体合成树脂为温度达到其熔融温度后能形成流动性熔体的高分子聚合物。
优选地，所述基体合成树脂为聚烯烃类、聚烯烃的改性聚合物、聚酯类、聚酰胺类、聚乳酸或工程塑料类。
更优选地，所述的聚烯烃类为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)中的至少一种；聚烯烃的改性聚合物为马来酸酐改性聚烯烃类(马来酸酐改性聚乙烯，马来酸酐改性聚丙烯等)；所述的聚酯类为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)中的至少一种；所述的聚酰胺类为聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚酰胺610(PA610)、聚酰胺1010(PA1010)中的至少一种；所述的聚乳酸(PLA)为聚丁二酸丁二醇酯(PBS)；所述的工程塑料类为聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的至少一种。
优选地，所述的IFPs采用CuO、Cu2O、ZnO、TiO2、SiO2中的至少一种，其平均粒径为25nm-2μm。
优选地，所述的IFPs经过硅烷偶联剂和酞酸酯偶联剂中的至少一种偶联剂处理，其添加量为IFPs质量的0.5-3％。
更优选地，所述的硅烷偶联剂为KH550、KH560或KH570。
优选地，所述的分散润滑剂为液体石蜡(馏出温度>300℃)、白蜡(馏出温度150-250℃)、聚乙烯蜡、羧化聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、高沸点石蜡、微晶石蜡、固体石蜡、聚丙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酰胺、N,N’-甲撑双硬脂酰胺、N,N’-乙撑双硬脂酰胺、N,N’-乙撑双硬脂酰胺极性改性物中的至少一种。
更优选地，所述的N,N’-乙撑双硬脂酰胺极性改性物包括羟乙基乙撑双硬脂酰胺及N,N’-亚乙基双-12-羟基硬脂酰胺。
分散润滑剂在基体合成树脂的熔融温度下、在功能性复合新材料的应用过程中不挥发不分解不碳化，化学性质稳定；同时对所选的基体合成树脂、IFPs具有良好的相容性，显著改善基体合成树脂熔融流动性、提升IFPs在基体合成树脂中的分散性。高温处理过程，是分散润滑剂对IFPs作用的过程。经过该过程，由于分散剂对IFPs的分散作用，高温处理设备的混合剪切作用，使得IFPs得到充分的分散，因此，IFPs可以在基体合成树脂中良好的分散。合理选择分散润滑剂及其组合，其在基体合成树脂的熔融温度下、在功能性复合新材料的应用过程中不挥发不分解不碳化，化学性质稳定；同时对所选的基体合成树脂、IFPs具有良好的相容性，显著改善基体合成树脂熔融流动性、提升IFPs在基体合成树脂中的分散性。在高温处理过程，熔融的分散润滑剂能在IFPs表面良好的铺展润湿，同时由于这些分散润滑剂分子的特定的基团，其能对IFPs表面起到良好的物理化学作用。
本发明还提供了上述功能性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步：将分散润滑剂、IFPs、基体合成树脂在干燥设备中除去水分；将干燥后的分散润滑剂、IFPs混合搅拌均匀，然后挤出造粒，得到分散润滑剂处理后的IFPs；在这个高温处理过程，选取的分散润滑剂对IFPs进行充分的作用和分散。在高温条件，分散润滑剂熔融后，其在IFPs表面进行铺展润湿。同时由于这些分散润滑剂分子的特定的基团，能对IFPs表面起到良好的物理化学作用。
第二步：将经过干燥的基体合成树脂加入到分散润滑剂处理后的IFPs中进行混合，搅拌均匀，然后挤出造粒，即得功能性复合新材料。在第二步的制备过程中，熔融的基体合成树脂为高粘性流体，众所周知，基体合成树脂的分子结构以疏水性链段为主，因此可以自由流动的高分子链与第一步得到的分散润滑剂处理后的IFPs具有较好的相互作用，二者形成有效结合的界面结构。
优选地，所述第一步、第二步中搅拌的转速均为30-3000转/分钟(优选60-300转/分钟)，时间均为1-60分钟(优选5-20分钟)。
优选地，所述第一步、第二步中挤出造粒采用单螺杆挤出造粒机、双螺杆挤出造粒机、密炼配套单螺杆挤出造粒机、密炼配套双螺杆挤出造粒机或双阶式挤出造粒机；第一步中造粒的温度设定范围为80-190℃。第一步中根据所用的分散润滑剂的不同，挤出造粒机的不同加热段的温度设定有所不同。第二步中根据所用的基体合成树脂的不同，挤出造粒机的不同加热段的温度设定有所不同，例如：选用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)作为基体树脂，温度设定范围120-260℃；选用聚酰胺6(PA6)作为基体树脂，温度设定范围200-265℃；选用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)作为基体树脂，温度设定范围240-280℃。
该方法通过高温处理过程，加上后续的两次造粒过程，充分的对IFPs进行分散，进一步提升了IFPs在功能性复合新材料中的分散均匀性，同时统一了不同基体合成树脂种类的功能性复合材料的制备工艺。
本发明中合成树脂由低分子量物质经过化学合成而得到的高分子聚合物，它在一定的温度和压力下发生形变，当温度和压力解除后能恢复原有形状。广义上讲，可以作为塑料制品加工原料的任何合成高分子化合物都称为合成树脂。例如：
聚烯烃类：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等；
聚烯烃的改性聚合物，如马来酸酐改性聚烯烃类：马来酸酐改性聚乙烯，马来酸酐改性聚丙烯等；
聚酯类：聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等；
聚酰胺类：聚酰胺6(PA6)、聚酰胺66(PA66)、聚酰胺610(PA610)、聚酰胺1010(PA1010)等；
聚乳酸(PLA)：聚丁二酸丁二醇酯(PBS)；
工程塑料类：聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯丙烯腈(SAN)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。
本发明中IFPs指的是具有某种功能的(如阻燃、抗菌、抗病毒、防霉、防止外线等)微米级或纳米级的无机氧化物或金属单质(如TiO2，ZnO，CuO，Ag金属粉体等)。
将IFPs与基体合成树脂复合，使它们均匀分散在基体合成树脂中，得到的即为功能性复合新材料。例如：将具有抗菌功能的IFPs均匀分散在基体合成树脂中，得到具有抗菌功能的复合新材料；这种复合材料是IFPs的复合承载体，如常见的抗菌母粒。本发明以抗菌复合新材料制备方法为重点对象，阐述类似功能性复合新材料的统一制备方法。
本发明中的高温处理过程，是分散润滑剂作用于IFPs的过程，该过程使得分散润滑剂对IFPs充分的作用和分散，使得分散润滑剂的作用得到最大的发挥。经过后续造粒过程，IFPs可以在基体合成树脂中均匀的分散。
本发明统一了功能性复合新材料的制备方法，不同的基体合成树脂的功能性复合新材料均可按照本发明公开的方法而进行制备。
本发明提供的高分散性功能性复合新材料的制备工艺简单，无特殊设备。且工艺灵活。将本发明中的IFPs更换为“电气石粉体粒子”、“玉石粉粉体粒子”、“氧化镁粉体粒子”、“氢氧化铝粉体粒子”等等无机微纳米粒子，同样可得到相应的复合新材料。
附图说明
图1为分散润滑剂与无机功能性粉体粒子(IFPs)的相互作用的示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种PE抗菌复合材料的制备方法：
第一步：
①将所需的原料：分散润滑剂、IFPs、基体合成树脂，在干燥设备中除去水分。
②常温混合。称取干燥后的分散润滑剂：2份，IFPs：20份，在混合设备中混合均匀。其中，分散润滑剂为羟乙基乙撑双硬脂酰胺1.8份、液体石蜡0.2份(馏出温度>300℃)，IFPs纳米氧化锌ZnO粉体，它们的平均粒径为500nm(未进行表面改性)。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。经过常温混合后，得到“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”。
③高温处理。由以上步骤得到的“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到IFPs与分散润滑剂结合的粒子。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：110℃、140℃、150℃、150℃、150℃。
第二步：
经过常温混合、高温处理以后，分散润滑剂熔融后在IFPs的表面铺展润湿，其亲水性的基团与IFPs表面的羟基相互作用，同时疏水性的尾巴朝外，结构示意图如图1所示。同时由于不同的分散润滑剂均具有疏水结构，因此在IFPs的表面，必定包裹着分散润滑剂相互作用的分子层。这样的结构有两个方面的好处。一方面IFPs相互之间由于空间位阻的作用，阻碍了IFPs间的团聚，有利于IFPs粒子在基体合成树脂中的高效分散。另一方面，降低了IFPs表面自由能，提升了粒子与基体合成树脂间的相互作用，改善了二者的界面相容性。
经过高温处理后得到是经过分散润滑剂处理的纳米氧化锌ZnO(其中分散润滑剂2份，纳米氧化锌20份)，与78份经过干燥设备除去水分的基体合成树脂聚乙烯(PE)，在混合设备中混合均匀。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。然后，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到纳米氧化锌ZnO分散于基体合成树脂聚乙烯(PE)中的粒子，即为PE抗菌复合新材料。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：190℃、210℃、210℃、210℃、210℃。
实施例2
一种PA6抗菌复合材料的制备方法：
第一步：
①将所需的原料：分散润滑剂、IFPs、基体合成树脂，在干燥设备中除去水分。
②常温混合。称取干燥后的分散润滑剂：10份，IFPs：30份，在混合设备中混合均匀。其中，分散润滑剂为8份羟乙基乙撑双硬脂酰胺、1份N,N’-乙撑双硬脂酰胺、1份液体石蜡(馏出温度>300℃)。IFPs为纳米二氧化钛TiO2，它们的平均粒径为200nm(未进行表面改性)。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。经过常温混合后，得到“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”。
③高温处理。由以上步骤得到的“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到IFPs与分散润滑剂结合的粒子。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：110℃、140℃、170℃、170℃、170℃。
第二步：
经过高温处理后得到是经过分散润滑剂处理的纳米二氧化钛TiO2(其中分散润滑剂10份，纳米二氧化钛30份)，与60份经过干燥设备除去水分的基体合成树脂聚酰胺6(PA6)，在混合设备中混合均匀。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。然后，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到纳米二氧化钛分散于基体合成树脂聚酰胺6(PA6)中的粒子，即为PA6抗菌复合新材料。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：230℃、255℃、260℃、260℃、260℃。
实施例3
一种PBT抗菌复合材料的制备方法：
第一步：
①将所需的原料：分散润滑剂、IFPs、基体合成树脂，在干燥设备中除去水分。
②常温混合。称取干燥后的分散润滑剂：15份，IFPs：50份，在混合设备中混合均匀。其中，分散润滑剂为9份羟乙基乙撑双硬脂酰胺、3份N,N’-亚乙基双-12-羟基硬脂酰胺、1份N,N’-乙撑双硬脂酰胺、1份聚乙烯蜡、1份液体石蜡(馏出温度>300℃)。IFPs为纳米氧化锌ZnO，它们的平均粒径为100nm(经过质量分数3％的硅烷偶联剂KH570进行表面改性)。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。经过常温混合后，得到“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”。
③高温处理。由以上步骤得到的“分散润滑剂和IFPs的均匀混合物”：65份，与基体树脂35份，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到IFPs与分散润滑剂结合的粒子。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：130℃、150℃、180℃、180℃、180℃。
第二步：
经过高温处理后得到是经过分散润滑剂处理的纳米氧化锌ZnO(其中分散润滑剂15份，纳米氧化锌50份)，与35份经过干燥设备除去水分的基体合成树脂聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)，在混合设备中混合均匀。混合设备转速为150转/分钟，混合时间为20分钟。然后，利用双螺杆挤出造粒机，经过高温熔融、螺杆输送、挤压、冷却、切粒、干燥等工艺，即可得到纳米氧化锌分散于基体合成树脂聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)中的粒子，即为PBT抗菌复合新材料。其中造粒机第一段、第二段、第三段、第四段、第五段的温度设定为：240℃、253℃、258℃、258℃、258℃。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种防火电缆及其制备方法