同向非對(duì)稱雙螺桿擠出TPU/PP共混體系研究

羅家勝 徐百平* 杜遙雪 馮彥洪

(1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東高校高分子材料加工工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州，510300；2.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門，529020；3.華南理工大學(xué)聚合物成型加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州， 510640)

同向非對(duì)稱雙螺桿擠出TPU/PP共混體系研究

羅家勝1,2徐百平1,2*杜遙雪2馮彥洪3

(1. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東高校高分子材料加工工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，廣東 廣州，510300；2.五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門，529020；3.華南理工大學(xué)聚合物成型加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州， 510640)

通過(guò)對(duì)同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)和傳統(tǒng)同向雙螺桿擠出機(jī)的應(yīng)用，研究了在無(wú)添加相容劑情況下熱塑性聚氨酯/聚丙烯(TPU/PP)共混體系的力學(xué)性能和相形態(tài)。結(jié)果表明，和傳統(tǒng)同向雙螺桿擠出機(jī)相比，同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)在長(zhǎng)徑比和捏合塊均減少的情況下加工的共混物力學(xué)性能更好，分散相的平均粒徑更小、更均勻，并且共混物的韌性和相容性更好。

聚丙烯 熱塑性聚氨酯 同向非對(duì)稱雙螺桿 力學(xué)性能 共混

基于混沌動(dòng)力學(xué)對(duì)稱破缺思想，徐百平通過(guò)引入非對(duì)稱流道來(lái)強(qiáng)化混沌混合和拉伸流，并研制了同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)[1]，這種新型設(shè)備具有2條形狀不同的螺桿，其轉(zhuǎn)速可以相同或不同，轉(zhuǎn)速比為2的同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)左右螺桿非對(duì)稱導(dǎo)致左右螺桿對(duì)應(yīng)螺槽體積不一致，物料流經(jīng)過(guò)程中受到周而復(fù)始的拉伸壓縮。通過(guò)二維數(shù)值仿真，得出同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)(NTSE)的分布混合和分散混合優(yōu)于傳統(tǒng)的同向雙螺桿擠出機(jī)(TSE)的[2]，該設(shè)備適用于高填充、改性、合金化及反應(yīng)擠出等領(lǐng)域。

下面選用熱塑性聚氨酯/聚丙烯(TPU/PP)不相容的兩相體系來(lái)改善PP的低溫脆性，在不添加任何相容劑的情況下，進(jìn)行同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)加工不相容體系力學(xué)性能和相形態(tài)的研究，揭示全新的加工方法對(duì)混合性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP，T30S,熔體流動(dòng)速率為3.0 g/10min，中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司；TPU，1190A，密度為1.14 g/cm3，巴斯夫(中國(guó))有限公司。

1.2 設(shè)備與儀器

高速混合機(jī)，SHR-10A，張家港格蘭機(jī)械有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，101-4-BS，上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠；電子天平，JZC-30TSC，福州科迪電子技術(shù)有限公司；新型同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)，SHJ-35×32，長(zhǎng)徑比為32，螺桿轉(zhuǎn)速比為2，廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院；同向雙螺桿擠出機(jī)，SHJ-35×48，長(zhǎng)徑比為42.7,廣東華新科塑料機(jī)械有限公司；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT4204，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，XJU5.5,承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，JSM-6330F，日本電子株式會(huì)社。

1.3 試樣制備

將原料置于80 ℃干燥箱中干燥2 h后，按一定比例配料，將混合料放于高速混合機(jī)中混合5 min，分別加入同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)和傳統(tǒng)的同向雙螺桿擠出機(jī)中，在雙頭螺桿24 r/min的轉(zhuǎn)速下擠出成型，新型擠出機(jī)1～8區(qū)溫度分別為170，185，190，195，200，200，200，200 ℃，機(jī)頭溫度為195 ℃，產(chǎn)量為3.32 kg/h，傳統(tǒng)擠出機(jī)1～9區(qū)溫度分別為160，170，180，185，190，195，200，200，200 ℃，機(jī)頭溫度為195 ℃，產(chǎn)量為3.48 kg/h。將擠出粒料置于干燥箱中80 ℃下干燥2 h后，用壓力成型機(jī)制樣，用裁刀將樣品制成標(biāo)準(zhǔn)樣條，在25 ℃下放置24 h后測(cè)試力學(xué)性能。擠出的TPU/PP共混物樣條在液氮中脆斷，利用SEM觀察垂直于流動(dòng)方向的截面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

圖1為TPU含量對(duì)TPU/PP共混物力學(xué)性能的影響。

從圖1(a)可以看出，TPU/PP共混物的拉伸強(qiáng)度隨著TPU含量的增加呈現(xiàn)“V”形狀。共混物拉伸強(qiáng)度的下降表明混合物存在弱界面交互。從圖1(b)可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% TPU共混物相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% TPU共混物的斷裂伸長(zhǎng)率有所下降,TPU質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～50%其斷裂伸長(zhǎng)率變化不大，隨后曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。從圖1(c)可以看出，共混物的彈性模量隨著TPU含量的增加而減少。從圖1(d)可以看出，質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%TPU共混物的沖擊強(qiáng)度變化不大，在TPU含量較高時(shí)沖擊強(qiáng)度較高。圖1表明了同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)加工共混物的力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)的。

2.2 相形態(tài)分析

圖2和圖3分別為同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)和傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工TPU/PP共混物的微觀形貌。

從圖2和圖3可以看出，同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)加工TPU/PP共混物分散相的粒徑比傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工共混物的小。且質(zhì)量分?jǐn)?shù)70% TPU共混物的分散相粒徑比10% TPU共混物的大很多，這可能是由于TPU黏度比PP的大，隨著TPU含量的增加，幾個(gè)粒徑小的粒子粘結(jié)在一起形成比較大的顆粒。通過(guò)比較圖2(a)和圖3(a),傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工共混物的斷裂表面更光滑且類似平行裂縫，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂。而同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)加工的共混物的斷裂表面具有沿不同方向斷裂的多層結(jié)構(gòu)，這表明其沖擊強(qiáng)度高于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工的。傳統(tǒng)雙螺桿擠出共混物(10%TPU)分散相粒徑為0.48～2.92 μm, 平均值為1.48 μm,而非對(duì)稱雙螺桿擠出共混物(10%TPU)分散相粒徑為0.39～1.66 μm,平均值為0.89 μm，分散相的粒徑變小，共混物的性能更好。在圖3(f)中，可以發(fā)現(xiàn)一些非常大的顆粒，這表明傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工的共混物分散不均勻，而圖2(f)中，斷裂表面表現(xiàn)得更粗糙，分散相更均勻，說(shuō)明同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)具有更好的分散混合能力。并且，在圖2(c)中，可以發(fā)現(xiàn)一些纖維結(jié)構(gòu)，這說(shuō)明使用同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)時(shí)，TPU和PP的相容性有所改善。

3 結(jié)論

a) 同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)在長(zhǎng)徑比和捏合塊均減少的情況下，加工的共混物力學(xué)性能仍然優(yōu)于傳統(tǒng)雙螺桿擠出機(jī)加工TPU/PP共混物的。

b) 同向非對(duì)稱雙螺桿擠出機(jī)加工分散相的平均粒徑變小，分布范圍變窄,混合效果更好。

[1] 徐百平,王玫瑰,何亮,等.同向旋轉(zhuǎn)非一致自潔多螺桿塑化排氣擠出裝置及方法:中國(guó),201110149868.4[P].2011-11-23.

[2] Xu B P,Yu H W.Simulation of the mixing in a novel fully wiped co-rotating non-twin screws[J]. Advanced Materials Research,2012,(560-561): 1091-1096.

Studies on TPU/PP Blends Processed in Co-Rotating Non-Twin Screws Extruder

Luo Jiasheng1,2Xu Baiping1,2Du Yaoxue2Feng Yanhong3

(1.Technology Development Center for Polymer Processing Engineering of Guangdong Colleges and Universities, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou，Guangdong, 510300;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen Guangdong 529020;3.National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou,Guangdong, 510640)

Using co-rotating non-twin screw extruder and the traditional twin screw extruder, the mechanical properties and morphology of thermoplastic polyurethane/polypropylene blends without adding any compatibilizers were investigated. The results indicate that compared to traditional twin screw extruder,in the case that the non-twin screw extruder has shorter L/D ratio and fewer kneading blocks,the mechanical properties of non-twin screw extruded blends are better, and the average particle size of dispersed phase is smaller and more uniform,moreover,the toughness and compatibility of the blends are better.

polypropylene; thermoplastic polyurethane; co-rotating non-twin screw; mechanical properties; blends

2014-03-19;修改稿收到日期:2014-11-20。

羅家勝，男，在讀碩士研究生，主要從事高分子材料加工。E-mail:luojiasheng@163.com。

*通信聯(lián)系人，E-mail:xubaiping2003@163.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11272093)；廣東省部產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(2012B091100432)；廣東省高等職業(yè)院校珠江學(xué)者崗位計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012)；廣東輕院自然科學(xué)基金(KJ201212)。