高抗沖擊高流動PP樹脂的性能

馬 進，祁軍峰，江竹海，郭 鋒

（1. 中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司橡塑應用研究所，新疆橡塑材料重點實驗室，新疆維吾爾自治區(qū)獨山子市833600；2. 中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司新疆天利實業(yè)總公司，新疆維吾爾自治區(qū)獨山子市 833600；3. 中國石油天然氣股份有限公司華北銷售分公司，北京市 100029；4. 中國石油天然氣股份有限公司西南銷售分公司，四川省成都市 610036）

近年來，隨著聚丙烯（PP）生產(chǎn)工藝水平的提高，特別是新型高效催化劑及聚合工藝的改進，使熔體流動速率（MFR）較高的PP（簡稱高流動PP）產(chǎn)品的開發(fā)和應用快速發(fā)展。高流動PP在制品加工生產(chǎn)過程中可降低加工溫度、注射壓力、合模力等，從而降低能耗，縮短制品的成型周期，大幅提高制品產(chǎn)量。此外，采用高流動PP可注塑成型薄壁制品，減少原材料的使用，降低成本。但是高流動PP的抗沖擊性能較差，滿足不了下游市場的要求。近幾年，生產(chǎn)抗沖擊共聚PP的技術取得了明顯進展。德國巴斯夫股份有限公司、英國石油公司、美國美孚埃克森公司、挪威北歐化工公司、法國阿托菲納化工有限公司、美國陶氏化學公司、韓國LG化學公司、英國帝國化學工業(yè)有限公司等[1]均成功開發(fā)出MFR為30 g/10 min以上、沖擊強度大于10 kJ/m2的高抗沖擊、高流動共聚PP。其制備方法有：1）采用過氧化物降解法制備，即可控降解法生產(chǎn)PP；2）采用新型催化劑配合氫氣調(diào)節(jié)相對分子質(zhì)量，共聚合得到，即氫調(diào)法。過氧化物降解法制備的高抗沖擊、高流動共聚PP易發(fā)黃，殘留在PP中的有機過氧化物在制品加工過程中會揮發(fā)，氣味較大，不適用于家庭用品和汽車內(nèi)裝飾，因此，采用氫調(diào)法聚合得到的注塑專用高流動PP備受關注。鑒于此，近年各大公司都轉向使用氫調(diào)法提高PP熔體的流動性。此類PP的發(fā)展也有兩個方向：一是單純提高PP的MFR，這樣有利于縮短成型周期，降低能耗[2]，制作大型薄壁制品。MFR為10～15 g/10 min的注塑專用PP樹脂正在被MFR為25～35 g/10 min的替代。二是保證PP的剛性和沖擊強度的平衡[3]。但是，當MFR提高時，沖擊強度一般要降低。早在20世紀90年代初，國外一些PP生產(chǎn)企業(yè)已成功開發(fā)MFR在30～40 g/10 min的嵌段共聚PP產(chǎn)品，如法國阿托菲納化工有限公司生產(chǎn)的MFR為35 g/10 min的嵌段共聚PP具有特殊分子結構和橡膠成分，具有較高的抗沖擊性能和剛性，用于注塑成型制品，加工工藝采用較低的模塑壓力（從8 MPa降到6 MPa）和加工溫度（從245 ℃降到225 ℃），從而降低了能耗，生產(chǎn)的制品壁厚較薄。本工作采用熱重（TG）分析、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、凝膠滲透色譜（GPC）、差示掃描量熱法（DSC）、動態(tài)力學分析（DMA）、偏光顯微鏡（PLM）等對6種高抗沖擊、高流動共聚PP進行了分析對比。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP：K9928H，中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司生產(chǎn)；K9928H-1，在K9928H基礎上改變第二反應器中乙烯進料比和添加劑體系而生產(chǎn)的產(chǎn)品；K9026，中國石油化工股份有限公司（簡稱中國石化）北京燕山分公司生產(chǎn)；HHP4，中國石化茂名分公司生產(chǎn)；AZ564，日本住友新加坡聚烯烴公司生產(chǎn)；AP03B，美國美孚?？松旧a(chǎn)。

1.2 主要儀器與設備

ERGOTECH 100-200型注射機，海天德馬格機械設備制造公司生產(chǎn)；LJ-2500型電子拉伸試驗機，XJH-2.75型懸臂梁沖擊試驗機，6840.00型熔體流動速率儀，均為意大利Ceast公司生產(chǎn)；V2000型凝膠滲透色譜儀，美國Waters公司生產(chǎn)；RHEOTester2000型毛細管流變儀，德國Gottfert公司生產(chǎn)；242c型動態(tài)力學熱分析儀，德國耐馳公司生產(chǎn)；822e型差示掃描量熱儀，德國梅特勒-托利多公司生產(chǎn)。

1.3 測試與表征

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測試，懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1843—2008測試，MFR按GB/T 3682—2000測試，彎曲性能按GB/T 9341—2008測試，黃色指數(shù)按HG/T 3862—2006測試，負荷變形溫度按GB/T 1634.2—2004測試，注塑成型收縮率按GB/T 17037.4—2003測試，氧化誘導期按GB/T 19466.6—2009測試。

2 結果與討論

2.1 常規(guī)性能

從表1可以看出：除AP03B的MFR較高外，其他4個試樣的MFR接近；AZ564和K9026的MFR接近30 g/10 min，并且沖擊強度大于10 kJ/m2，綜合性能最好，更適用于注塑大型抗沖擊薄壁制品；AZ564的二甲苯可溶物含量最高、彎曲模量適中、縱橫向收縮均衡；K9026的彎曲模量比AZ564略差，但綜合性能好于其他3個試樣；K9928H的氧化誘導期偏長，對注塑制品而言是浪費抗氧劑，在實際加工使用中也沒有意義。

表1 抗沖擊共聚PP的常規(guī)性能Tab.1 Conventional properties of the impact PP copolymers

2.2 DMA和TG分析

從表2可以看出：AP03B，AZ564，K9026，HHP4，K9928H均有兩個玻璃化轉變溫度（tg），說明這5個試樣均屬于共聚PP；兩個tg的差值從大到小依次為AP03B，K9928H，HHP4，K9026，AZ564。兩個tg的差值越小，其抗沖擊性能越好，這與表1中的沖擊強度吻合。

從圖1看出：除K9026外，其他4個試樣的質(zhì)量均在430～440 ℃開始損失，質(zhì)量損失最大的溫度在470 ℃附近 ，而K9026的質(zhì)量在400～430 ℃開始損失。這是因為K9026是用過氧化物降解法制備的，K9026中殘留的過氧化物降低了其熱穩(wěn)定性，且在下游加工過程中殘留的過氧化物會使PP繼續(xù)降解，導致制品產(chǎn)生氣味；AP03B，K9928H，AZ564，HHP4均為采用氫調(diào)法直接共聚合制備的，沒有添加過氧化物和其他無機填料[4]，所以它們在470 ℃附近質(zhì)量快速損失且無其他殘留物。

表2 抗沖擊共聚PP的 DMA測試結果Tab.2 DMA results of the impact PP copolymers

圖1 抗沖擊共聚PP的TG曲線Fig.1 TG curves of the impact PP copolymers

2.3 DSC和PLM分析

從表3看出：K9928H的結晶半峰寬溫度和結晶溫度最高，說明K9928H中加入了增剛成核劑；HHP4的結晶溫度、結晶度、熔融溫度較低，說明其橡膠相含量較高，這與表1中其彎曲模量、負荷變形溫度均較低一致。

表 3 抗沖擊共聚PP的DSC數(shù)據(jù)Tab.3 DSC data of the impact PP copolymers

從圖2看出：K9928H中小球晶較多，未結晶空隙區(qū)域較少；AP03B中有大球晶；HHP4中有疑似微小的橡膠相顆粒，邊緣區(qū)域能觀察到球晶處于形成初期； K9928H-1的晶區(qū)細密、空隙少、排列整齊，中央?yún)^(qū)域觀察不到球晶；AZ564與K9026的結晶形態(tài)較為相似，屬于細密小球晶，邊緣區(qū)域部分能觀察到少量模糊球晶。綜上可以推斷：結晶區(qū)域的不同表現(xiàn)源于是否添加成核劑，K9928H和K9026中加有成核劑。

圖2 抗沖擊共聚PP的PLM照片（×600）Fig.2 PLM photographs of the impact PP copolymers

2.4 GPC及FTIR分析

PP的相對分子質(zhì)量越大，其機械強度就越好，但是相對分子質(zhì)量增加，分子間的作用力增加，使PP的高溫熔體黏度增加、流動性變差，給成型加工帶來困難。相反，相對分子質(zhì)量越低，相對分子質(zhì)量分布（D）越寬，成型加工相對就越容易[4]。

從表4可以看出：就數(shù)均分子量（Mn） 而言，K9928H＜K9928H-1＜AP03B＜HHP4＜K9026＜AZ564，表明K9928H中低相對分子質(zhì)量部分含量相對較小，AZ564中低相對分子質(zhì)量部分含量相對較多； 就重均分子量（Mw） 而言，AP03B＞HHP4＞AZ564＞K9026＞K9928H-1＞K9928H，表明AP03B中高相對分子質(zhì)量部分含量相對最多；從z均分子量（Mz）較高也可進一步說明AP03B，K9928H中高相對分子質(zhì)量部分的貢獻較大[4]。AP03B，K9928H的D最寬，K9026和AZ564的D相對較窄。寬的D對提高剛性有益，隨著D變寬，PP的結晶度提高，從而提高PP的剛性。對注塑制品來說，尤其是流程較長的模具，由于分子取向的緣故，制品的模量會隨著D變寬而提高，K9928H適合注射長流程、薄壁制品，用于注塑厚壁制品時制品更易翹曲[5]。K9928H及K9928H-1的相對分子質(zhì)量較低、D較寬，加工性能較好。

表4 抗沖擊共聚PP的GPC數(shù)據(jù)Tab.4 GPC data of the impact PP copolymers

AP03B，HHP4，AZ564，K9026，K9928H的FTIR曲線幾乎重合，只有K9928H-1在1 700.0 cm-1處出現(xiàn)不同的峰，為芳酰胺類吸收峰。以K9928H為例，從圖3可看出：2 800.0～3 000.0 cm-1出現(xiàn)多重疊合的—CH2，—CH，—CH3中的C—H伸縮振動峰；1 462.0 cm-1附近為—CH2和—CH3的彎曲振動峰；1 380.0 cm-1附近為—CH3彎曲振動峰；1 260.0，1 220.0，1 160.0，1 100.0 cm-1處為間規(guī)PP的非晶帶；1 167.0，998.0，841.0，899.0 cm-1處吸收峰與等規(guī)PP的很相近，在800.0～1 300.0 cm-1出現(xiàn)系列等規(guī)PP的螺旋構象規(guī)整譜帶[6]。由于引入乙烯單元，抗沖擊共聚PP在720.0 cm-1附近出現(xiàn)一個不對稱的吸收譜帶，該峰源于—（CH2）n—（n≥5）的面內(nèi)搖擺振動。3 645.0 cm-1處為醇酚吸收峰，因此試樣中可能含有受阻酚類抗氧劑；1 102.6 cm-1處為P—O—Ar（Ar為芳烴）的吸收峰，說明試樣中可能含有亞磷酸酯類輔助抗氧劑。幾個試樣的特征譜帶位置及吸收峰寬窄基本吻合，不存在較大差異，460 cm-1處略有不同，主要是因為各種PP中的添加劑體系（抗氧劑體系和成核劑體系）略有區(qū)別[7]。

2.5 流變性能測試

圖3 K9928H的FTIR譜圖Fig.3 FTIR spectrum of K9928H

從圖4可看出：5個PP試樣的剪切應力（τ）都隨剪切速率（γ）的增大而增大，呈典型的假塑性流體特性[8]；AZ564，AP03B，HHP4，K9928H的流變曲線接近，表明其分子鏈結構相似；K9026為采用過氧化物降解法制備的，其τ，表觀黏度（ηa）均略小于其他4個試樣。

圖4 190 ℃時抗沖擊共聚PP的流變曲線Fig.4 Rheological curves of the impact PP copolymers at 190 ℃

從表5看出：低γ時，190～210 ℃升溫過程中AP03B的黏流活化能最小，表明升、降加工溫度對其熔體流動性的影響比其他5個試樣大，即AP03B對溫度最為敏感；K9026，K9928H，AZ564，HHP4熔體流動性對溫度的敏感性相近。高γ時，K9026的黏流活化能最小，表明其對溫度較敏感，AP03B，K9928H，AZ564，HHP4對溫度的敏感性相近。隨著γ的增大，除AP03B外，其他5個試樣的黏流活化能均減小。從表5還可看出：6個試樣的非牛頓指數(shù)（n）都小于1，屬于非牛頓流體，且其n均隨著溫度的升高而增大，即溫度升高后，PP的ηa對γ的敏感性下降。在190～210 ℃的升溫過程中AP03B的n最大，對γ較不敏感，HHP4的n最小，對γ敏感性最強。AP03B的熔體強度最大，源于其Mw較大，鏈段支化度高，這與其拉伸強度最大一致；K9026的熔體強度最小，主要是因為K9026是采用過氧化物降解法生產(chǎn)的。

表5 抗沖擊共聚PP的流變性能Tab.5 Rheological properties of the impact PP copolymers

3 結論

a）6個注塑用高抗沖擊共聚PP中，AZ564和K9026的綜合力學性能較好，適合用于注塑抗沖擊大型薄壁制品，AP03B和K9928H的力學性能較差，受抗沖擊性能限制。

b）6個試樣均表現(xiàn)出不同程度的ηa對溫度的依賴性， 在高γ時， 升溫對K9026熔體的流動性影響較大。K9026為過氧化物降解法生產(chǎn)，產(chǎn)品中殘留的過氧化物使其在下游加工過程中繼續(xù)降解，會產(chǎn)生氣味。

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