共混對聚丙烯力學性能的影響

嚴 康,吳璧耀

(武漢工程大學材料科學與工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著聚合物加工領域的技術(shù)進步,一系列新的聚合物成型方法及設備已逐步被開發(fā)并進入市場,如聚合物動態(tài)塑化擠出、注射、混煉方法及設備的制造[1].利用各種實驗方法可以改善和獲得較好的加工性能的聚合物[2].而在聚丙烯加工過程中,加工條件也會對聚丙烯的加工性能產(chǎn)生影響,比如注射工藝條件會對成型聚丙烯樣條的收縮率產(chǎn)生影響[3],自20世紀50年代來,興起了一類新型高分子材料—熱塑性彈性體,它兼有塑料和橡膠的特性,在常溫下顯示橡膠高彈性,高溫下又能塑化成型,因此它可以像熱塑性塑料那樣進行加工,并且不需要進行硫化處理[4].這種材料成功地將普通橡膠的一些特性,如回彈性、耐熱性和低壓縮性與熱塑性塑料的易加工性,如注射成型、吹塑成型、擠出成型等結(jié)合在一起[5].而制備熱塑性彈性體具有制作成本比較低廉的優(yōu)勢,因此,近幾十年來得到較快的發(fā)展[6],聚丙烯(PP)類共混型熱塑性彈性體具有原料豐富、價格低、流動性好、易加工性等優(yōu)點[7],80年代初期殷敬華、黃葆同等人和朱玉俊等人分別研制出了EPDM/PP熱塑性彈性體,且申請了專利[8],有文獻報導超支化聚合物可以在塑料中作為加工助劑和流變改性劑,關(guān)于超支化聚合物改性熱塑性彈性體的報道卻少見[9],本論文的創(chuàng)新點在于超支化聚合物含量對聚丙烯的力學性能的影響.

1 實驗部分

1.1 實驗用原料

聚酯型超支化樹脂:實驗室自制；三元乙丙橡膠(EPDM):Mooney黏度為25,第三單體為ENB,陶氏化學；PP:牌號8303/7726,北京燕山石化生產(chǎn).異丙苯過氧化氫(DCP)、三烯丙基異三聚氰酸酯(TAIC):上海方銳達化工有限公司生產(chǎn).抗氧劑168,化學名稱為三(2,4-二叔丁基苯基)亞磷酸酯,抗氧劑1010,化學名稱為四[β-(3,5-二叔丁基4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯:瑞士BASF公司生產(chǎn).

1.2 實驗用儀器與設備

同向雙螺桿擠出機,型號為SHJ-36,南京誠盟化工機械有限公司.注射機，型號為JPH-50,廣東泓利機械有限公司.萬能制樣機,河北省承德試驗機廠.懸臂梁沖擊試驗機，型號為XJU-22,承德試驗機有限公司.萬能試驗機，型號為WDW-20,深圳凱強利機械有限公司.

1.3 樣品制備以及試樣力學性能分析

取一定量的牌號為7726的聚丙烯和牌號為8303的聚丙烯在同向雙螺桿擠出機中共混,共混溫度190 ℃,轉(zhuǎn)速160 r/min,然后置于真空干燥箱中在96 ℃的條件下約干燥3 h.取出共混好的聚丙烯注射成型,注射的溫度為210 ℃左右并分別進行斷裂生長率、抗拉力、拉伸強度、沖擊強度等力學性能的測試和熔融指數(shù)的測定.拉伸性能按標準GB1040-92,熔體流動速率按GB/T3682-2000測定,缺口沖擊采用國標GB/T1843 -1996.本文主要考慮斷裂伸長率,熔融指數(shù),低溫缺口沖擊這三個方面的力學性能.

通過實驗測試,比較7726牌號聚丙烯和8303牌號聚丙烯在不同比例共混下的綜合力學性能,選出合適的聚丙烯共混比例進行第二步的實驗,然后再通過改變橡膠的用量,找到合適的橡塑比后進行第三步實驗,第三步實驗主要研究超支化聚合物含量的變化對共混物的力學性能的影響.總體來說,第一步是確定不同牌號PP之間的比例,第二步是確定橡膠的含量,第三步是確定超支化聚合物的含量,最終確定當可以達到合適的綜合力學性能時組分的最佳比例.在第二步第三步實驗中,為保證充分共混和硫化,擠出工藝采用先加入PP,EPDM,TAIC,抗氧劑,超支化聚合物擠出一次,然后再加入DCP擠出一次.通過分析比較此時共混擠出溫度仍然為190 ℃.

注:筆者預期的綜合力學性能達到最佳是指斷裂伸長率達到150%以上,熔融指數(shù)達到0.8 g/min以上,低溫缺口沖擊能量能達到15 kJ/M2以上,這三者要同時滿足.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸實驗

將這兩種不同牌號的聚丙烯共混對材料的拉伸性能的影響如表1所示,拉伸速率為50 mm/min,溫度為常溫5 ℃.

表1 材料配比對共混聚丙烯拉伸性能的影響

表1的數(shù)據(jù)表明:純的7726牌號聚丙烯的斷裂伸長率是0,純的8303牌號的聚丙烯的斷裂生長率達到了540%.而隨著共混物中7726聚丙烯的增加,試樣抗拉力和拉伸強度基本上沒有多大變化,抗拉力大約都保持在1 100 N左右,拉伸強度都保持在28 MPa左右,但斷裂生長率卻隨著7726牌號聚丙烯的量的增大卻發(fā)生了很明顯的變化,當試樣比例為10∶3時,斷裂生長率可以達到最大,如果此時再次增加7726牌號聚丙烯的用量,斷裂生長率會下降.造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于兩種聚丙烯分子之間連結(jié)方式不同,8303的分子間連接性要好于7726,所以8303在添加了一點7726以后,分子的連結(jié)方式遭到了破壞,分子間的連接性降低,其斷裂伸長率一下子會降到很小,可是隨著7726的增多,8303和7726的分子之間互相交錯,此時分子連結(jié)性提高變好,斷裂伸長率反而提高,當7726過多時,8303的分子間連結(jié)性徹底被破壞,所以斷裂伸長率降到了最低.

2.2 共混對材料熔融指數(shù)的影響

7726是一種分子量比較低的無規(guī)聚丙烯,當它摻入高分子量的聚丙烯8303中時會對共混材料的熔融指數(shù)(MI)產(chǎn)生影響.其測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 材料配比對共混聚丙烯熔體流動速率的影響

從圖1可以看出,隨著7726牌號聚丙烯用量的增大,其熔融指數(shù)也在逐漸增大,可能是因為8303分子之間的連結(jié)性要大大的好于7726,所以分子間的潤滑性就大大的差于7726,隨著7726的增多,8303分子間插入了許多7726分子,這樣導致了分子間的潤滑性變好,7726越多,其分子就充斥在8303的分子之間,熔融指數(shù)越來越大.

2.3 低溫缺口沖擊

不同配比的共混聚丙烯材料對懸臂梁沖擊性能的影響如圖2所示.

圖2 材料配比共混聚丙烯對沖擊性能的影響

圖2表明:隨著7726聚丙烯的用量增大,沖擊能量會在3到4之間達到最大值,對比以上的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)沖擊能量會先增大后減小,特別是在8303和7726的比例在10∶3和10∶4時達到最大值.這是由于聚合物分子連結(jié)性越高,其剛性也就越好,7726剛加入一瞬間,8303的分子連結(jié)性受到嚴重破壞,所以剛性變的非常差,7726的量增大時,慢慢的兩種分子之間形成交錯,連結(jié)性反而變好,剛性就變好了,當7726的量過多時,連結(jié)性又變差,剛性就又變差了,所以沖擊能量才會有這樣的趨勢.

2.4 橡膠含量對共混材料力學性能的影響

經(jīng)過篩選發(fā)現(xiàn)當兩者比例在10∶3時,其各項力學性能(如斷裂生長率、沖擊強度)可以達到比較好的指標,所以從中選出10∶3這個比例制備PP/EPDM熱塑彈性體.其結(jié)果如表2所示.

表2 EPDM用量對PP/EPDM熱塑彈性體性能的影響

比較表2的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):隨著材料中橡膠含量的增加,綜合力學性能會有提高.

2.5 超支化聚合物對共混物力學性能影響

研究表明超支化聚合物的用量對這種熱塑性彈性體的力學性能會有明顯的影響.在研究中先用本實驗室合成的一種超支化樹脂,考察其用量對共混材料性能的影響,其結(jié)果如表3所示.

表3 超支化樹脂的用量對共混材料性能的影響

注:EPDM8份,PP12份(8303∶7726=10∶3),其它助劑適量

表3表明:超支化聚合物含量的不同也會對其力學性能產(chǎn)生很大的影響.當超支化聚合物的含量增多時,斷裂伸長率會隨著超支化含量的變大而減小,熔融指數(shù)和沖擊能量會增大,此時降低或增大超支化的含量都會影響其力學性能.這是由于超支化聚合物在共混物中起著剛性小球的作用,使其分子之間變得潤滑.隨著超支化聚合物含量的增大,熔融指數(shù)也變大,由于這種剛性小球連結(jié)著共混物分子,所以分子的剛性變好,沖擊性能也會由于剛性的變好而增大,相反的斷裂伸長率會降低.我們發(fā)現(xiàn)當熔融指數(shù)和低溫缺口沖擊性能上升時,斷裂伸長率在下降.綜合整體的力學性能考慮,選用超支化聚合物含量為0.003.

3 結(jié) 語

a. 改變橡膠的含量,改變聚丙烯不同牌號共混的情況,或是改變超支化聚合物的含量,都會對其共混物的力學性能產(chǎn)生影響.其影響程度是超支化聚合物>橡膠>聚丙烯,通過調(diào)整超支化聚合物的含量來達到我們的最終目標.

b. 選擇適當?shù)南鹚鼙?本論文里選用的是8%的橡膠含量)、合適的聚丙烯比例(本論文選擇的是8303∶7726=10∶3的比例)、適當?shù)某Щ酆衔锏暮?本論文選擇的是0.003),所得的共混合其力學性能可以達到最佳.

參考文獻：

[1]瞿金平.聚合物擠出成型的新方法與新設備[J].中國塑料,1997,11(3):69-73.

[2]張德明,王松,陳小敏.使用流變儀對聚合物加工性能進行研究[J].塑料科技,2000(3):23-27.

[3]曹民干.注射工藝條件與PP成型收縮率的關(guān)系[C]//2001年中國工程塑料加工及模具技術(shù)研討會論文集.鄭州:工程塑料應用,2001:100-102.

[4]霍爾登 G,萊格 N R,夸克 R,等.熱塑性彈性體[M].北京:化學工業(yè)出版社,2000:58-92.

[5]李俊山,楊艷平,申會杰.動態(tài)硫化EPDM/PP共混型熱塑性彈性體的流動性[J].特種橡膠制品,2003,27(4):1-5.

[6]徐曉冬,劉建清,高秀敏.聚丙烯類共混型熱塑性彈性體的研究進展[J].化工新型材料,2004,36(6):9-12.

[7]吳建國,楊曉華.動態(tài)硫化聚丙烯復合材料的制備[J].塑料,2001,30(1):48-51.

[8]段群豐,何和智.動態(tài)硫化EPDM/PP熱塑性彈性體的研究進展[J].塑料科技,2003(5):62-65.

[9]趙輝,羅運軍.超支化聚合物在塑料中的應用[J].塑料工業(yè),2007,35(6):33-35.