一种耐高温改性聚乙烯复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及聚乙烯技术领域，具体为一种耐高温改性聚乙烯复合材料的制备方法。

背景技术

聚乙烯是应用广泛的热塑性塑料，其耐溶剂性好，吸水性小，电绝缘性优良，可以用于制造薄膜材料、包装材料、容器、管道、电线电缆等，在国民经济的各个领域都有发挥着重要的作用，但是聚乙烯存在力学强度较低，耐高温性能较差等问题，限制了聚乙烯的发展和应用；聚苯乙烯的力学性能优良，耐热性好，采用聚苯乙烯对聚乙烯进行改性，可以提高聚乙烯的综合性能，专利CN107629297B《一种聚乙烯/聚苯乙烯/有机改性蒙脱土复合材料及其制备方法》，采用Gemini表面活性剂对蒙脱土片层进行有效剥离，然后与聚苯乙烯、聚乙烯进行共混，促进蒙脱土在聚乙烯/聚苯乙烯基体中的分散，使复合材料的性能得到大幅度提升。

纳米二氧化钛廉价易得，比表面积大，机械性能好，在高分子材料中应用十分广泛，专利CN112226264B《一种凹凸棒石-二氧化钛改性超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法和应用》，将二氧化钛负载在凹凸棒石上后，可形成硬质的高粗糙度颗粒，作为填料与超高分子量聚乙烯结合后，提高超高分子量聚乙烯基体的耐热性能和耐磨性能；本发明提供了一种含有聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子的聚乙烯复合材料，旨在提高聚乙烯的力学强度和耐高温性能。

发明内容

(一)解决的技术问题

本发明提供了一种耐高温改性聚乙烯复合材料的制备方法，解决了聚乙烯材料力学强度和耐高温性能较差的问题。

(二)技术方案

一种耐高温改性聚乙烯复合材料，包括如下重量配比的原料：81-98％聚乙烯树脂、2-15％聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、0.5-3％相容剂、0.1-0.4％抗氧剂。

进一步的，相容剂选自苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-氢化丁二烯-苯乙烯共聚物、马来酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物中的任一种。

进一步的，耐高温改性聚乙烯复合材料的制备方法为如下步骤：将聚乙烯树脂、聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、相容剂、抗氧剂依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到耐高温改性聚乙烯复合材料。

进一步的，聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子的制备方法为如下步骤：

S1、向二氯甲烷溶剂中加入3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应12-24h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为1-2％的聚乙烯醇水溶液中加入甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，65-80℃中反应6-12h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将邻苯二酚基聚苯乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌溶胀3-8h，然后加入纳米二氧化钛，超声分散处理1-2h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

进一步的，S1中4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺(DCC)、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐(HBTU)的摩尔比例为1:(0.8-1.5):(1.1-1.5):(1-1.3)。

进一步的，S2中甲苯、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈的摩尔比例为(0.1-0.18):1:(0.2-0.7):(0.15-0.2):(0.05-0.08)。

进一步的，S3中纳米二氧化钛的用量是邻苯二酚基聚苯乙烯重量的5-30％。

(三)有益的技术效果

1、本发明利用3,4-二羟基苯乙酸和N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐机械酰胺化反应，制备了新型单体3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺，然后与苯乙烯、二乙烯基苯进行交联聚合，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球，利用聚苯乙烯微球结构中含有邻苯二酚结构与纳米二氧化钛进行配位作用，使得二氧化钛纳米粒子均匀地负载到聚苯乙烯微球的孔隙和基体中，形成聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

2、以相容剂苯乙烯-氢化丁二烯-苯乙烯共聚物作为相容剂，聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子作为填充剂对聚乙烯进行改性，在相容剂作用下，聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子与聚乙烯树脂基体之间有很好的相容性，使壳核粒子均匀的分散在聚乙烯基体中形成交联网络，有利于改善聚乙烯材料的拉伸强度和弯曲强度，对聚乙烯材料的热分解温度也有明显的提高，表现出优异的耐高温性能。

附图说明

图1是3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺的制备反应路线。

图2是改性聚乙烯复合材料的热重性能测试。

图3是改性聚乙烯复合材料的力学性能测试。

具体实施方式

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。本发明所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

S1、向二氯甲烷溶剂中加入摩尔比例为1:0.8:1.1:1的3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应24h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为2％的聚乙烯醇水溶液中加入摩尔比例为0.1:1:0.2:0.15:0.05的甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，80℃中反应10h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将邻苯二酚基聚苯乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌溶胀8h，然后加入邻苯二酚基聚苯乙烯重量的5％的纳米二氧化钛，超声分散处理1h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

S4、将重量配比为97.4％聚乙烯树脂、2％聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、0.5％相容剂苯乙烯-氢化丁二烯-苯乙烯共聚物、0.1％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到耐高温改性聚乙烯复合材料。

实施例2

S1、向二氯甲烷溶剂中加入摩尔比例为1:1.5:1.5:1.3的3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应12h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为2％的聚乙烯醇水溶液中加入摩尔比例为0.18:1:0.7:0.2:0.08的甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，700℃中反应12h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将邻苯二酚基聚苯乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌溶胀5h，然后加入邻苯二酚基聚苯乙烯重量的10％的纳米二氧化钛，超声分散处理2h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

S4、将重量配比为93.7％聚乙烯树脂、5％聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、1％相容剂马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物、0.4％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到耐高温改性聚乙烯复合材料。

实施例3

S1、向二氯甲烷溶剂中加入摩尔比例为1:1.2:1.3:1.1的3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应18h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为1％的聚乙烯醇水溶液中加入摩尔比例为0.15:1:0.3:0.16:0.06的甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，70℃中反应6h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将邻苯二酚基聚苯乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌溶胀8h，然后加入邻苯二酚基聚苯乙烯重量的20％的纳米二氧化钛，超声分散处理1h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

S4、将重量配比为88.6％聚乙烯树脂、10％聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、1.2％相容剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、0.2％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到耐高温改性聚乙烯复合材料。

实施例4

S1、向二氯甲烷溶剂中加入摩尔比例为1:0.8:1.2:1.1的3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应24h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为1.5％的聚乙烯醇水溶液中加入摩尔比例为0.16:1:0.6:0.18:0.07的甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，65℃中反应10h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将邻苯二酚基聚苯乙烯加入到N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌溶胀8h，然后加入邻苯二酚基聚苯乙烯重量的30％的纳米二氧化钛，超声分散处理1h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子。

S4、将重量配比为81.6％聚乙烯树脂、15％聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子、3％马来酸酐接枝苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、0.4％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到耐高温改性聚乙烯复合材料。

对比例1

S1、向二氯甲烷溶剂中加入摩尔比例为1:1.5:1.5:1.3的3,4-二羟基苯乙酸、N-(3-氨丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐、N,N-二环己基碳二亚胺、苯并三氮唑-N,N,N’,N’-四甲基脲六氟磷酸盐，在室温下反应12h，反应后减压蒸馏，产物经过硅胶柱色谱进行分离，洗脱液为石油醚:乙酸乙酯＝9:1(体积比)，分离得到3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺。

S2、向质量分数为2％的聚乙烯醇水溶液中加入摩尔比例为0.18:1:0.7:0.2:0.08的甲苯制孔剂、苯乙烯、3,4-二羟基苯乙酰丙胺甲基丙烯酰胺、二乙烯基苯、偶氮二异丁腈，氮气保护下，80℃中反应6h，过滤，依次用去离子水、乙醇、丙酮洗涤，得到多孔的邻苯二酚基聚苯乙烯微球。

S3、将重量配比为93.6％聚乙烯树脂、5％邻苯二酚基聚苯乙烯微球、1.2相容剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、0.2％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到改性聚乙烯复合材料。

对比例2

S1、将重量配比为93.6％聚乙烯树脂、5％纳米二氧化钛、1.2％相容剂苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物、0.2％抗氧剂1076依次加入到挤出机中熔融挤出，挤出机口模至机头的温度依次为140℃、150℃、175℃、190℃、190℃、195℃、195℃、185℃，造粒，得到改性聚乙烯复合材料。

聚乙烯复合材料的热重性能通过TG热重分析仪进行测试，氮气气氛，升温速率10℃/min。测试温度25-800℃。

聚乙烯复合材料的拉伸性能和弯曲性能，通过万能材料试验机，参照GB/T1040.1-2006和GBT9341-2008进行测试；拉伸性能测试的加载速度为20mm/min，弯曲性能测试的加载速度为2mm/min。

经过热重性能测试，实施例1-4中的聚乙烯复合材料在加入了聚苯乙烯-二氧化钛壳核粒子，可以有效提高聚乙烯的起始分解温度(5％质量损失温度)，达到380.2-392.1℃，800℃时质量剩余率达到20.4-29.8％。对比例1中仅加入邻苯二酚基聚苯乙烯微球，聚乙烯的起始分解温度、质量剩余率分别为360.9℃和12.3％；对比例2仅加入了纳米二氧化钛，聚乙烯的起始分解温度、质量剩余率分别为367.2℃和18.4％，

经过力学性能测试，实施例1-4中的聚乙烯复合材料的拉伸强度达到24.0-33.6MPa，弯曲强度达到32.1-52.4MPa，远高于对比例1和对比例2的聚乙烯材料。