PE/PP共混物熱氧老化產(chǎn)物結構及老化過程研究

祝文親，陳商濤，石行波，張鳳波，王艷芳，吳林美，黃 強

（中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 102206）

PE/PP共混物熱氧老化產(chǎn)物結構及老化過程研究

祝文親，陳商濤，石行波，張鳳波，王艷芳，吳林美，黃 強

（中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院，北京 102206）

乙丙共混物的熱氧老化過程是一個復雜的過程，對于材料的應用有重要的影響。本文首先制備乙丙共混物，并對其進行了表征；通過逐步老化和快速老化2種老化方式研究共混物的變化規(guī)律和影響因素。結果表明，1）逐步老化過程首先產(chǎn)生羰基類化合物，生成的羰基化合物再進一步氧化轉(zhuǎn)化為醚類；2）快速升溫老化，聚合物容易分解成小分子揮發(fā)而產(chǎn)生較少積炭；而逐步升溫老化，聚合物在緩慢分解同時可能繼續(xù)交聯(lián)碳化而產(chǎn)生較多積炭；3）乙丙共混物的老化變黑主要是由PE產(chǎn)生。

乙丙共混物；聚烯烴；熱氧老化

聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）作為通用塑料已被廣泛使用，是應用量最大的一類高分子材料，對于它們共混物的研究已經(jīng)積累了大量的文獻和成果[1～4]。而乙丙共混物的老化研究，尤其是加工過程中，溫度相對較高情況下的熱氧老化一直是一個熱點問題[5～9]。老化造成的不僅僅是經(jīng)濟資源的浪費，更嚴重的是老化引起的系統(tǒng)整體性能的下降與破壞[10]。同時老化過程產(chǎn)生顏色發(fā)黃、積炭對于一些光學材料的應用也是致命的。所以，研究老化機理以及老化歷程具有重要意義。

任超等[6]認為熱氧老化是基于游離自由基鏈式反應的反應機理。聚烯烴受到熱氧作用后，在分子結構的支鏈、雙鍵等弱點處形成游離基。游離基迅速與氧結合，形成過氧化游離基，隨后與聚烯烴反應吸收氫原子而形成氫過氧化物和另一個游離基，進而持續(xù)氧化。侯耀先等[7]指出聚烯烴在某種加工或制造過程中，短時間內(nèi)往往使聚烯烴遇到高溫，造成聚烯烴斷鏈，結果導致加工失敗。而當氧伴隨有溫度升高時，聚烯烴會迅速降解。聚合物的氧化首先發(fā)生在聚合物表面或聚烯烴的非晶部分，通過其表面或非晶部分，氧能滲入到聚烯烴內(nèi)，形成一些官能團。這時鏈會斷裂，分子質(zhì)量分布增寬。側鏈斷裂，會生成低分子質(zhì)量化合物和高分子的殘余不飽和物，還會導致分子結構的永久性重排，如增加長鏈支化等。在許多情況下，鄰近分子間形成交聯(lián)。同時還提出FTIR以及13C NMR等分析手段由于其高效、無破壞性是研究固體聚合物在老化降解過程中基團如何形成、增長和分布的重要手段。

本文繼前人提出老化過程的一系列鏈式機理基礎上，指出老化過程其中官能團變化歷程以及最終產(chǎn)物的化學結構。同時對影響乙丙混合物老化過程的組分和老化方式的因素給予分析。

1　實驗部分

1.1實驗原料和裝置

高密度聚乙烯（HDPE），吉林石化JHMGC100S；聚丙烯（PP），大慶石化聚丙烯RP210M注塑料。

微型雙螺桿擠出機，Process 11，HAAKE；馬弗爐，sx2-10-13，洛陽華旭利爾電爐有限公司；核磁共振儀（1H或13C），AC-80，BRUKER；傅立葉紅外光譜儀，Alpha，BRUKER；有機元素分析儀，EA3000，Euro Vector；分析天平，HZY，美國華志電子天平。

1.2乙丙共混物的制備和表征

1.2.1乙丙共混物的制備

將PE、PP按質(zhì)量比1：1用微型雙螺桿擠出機，在工作溫度230 ℃下擠出，切粒得到共混物。

1.2.2乙丙共混物的表征

將原料以及制備的共混物采用傅立葉紅外光譜儀，分辨率：≤1 cm-1，觀察各自特征波數(shù)，確定制備得到共混產(chǎn)物。

1.3老化實驗

1.3.1逐步老化

將原料以及制備的共混物同時放入馬弗爐中，從240 ℃按照程序升溫1 ℃/min升至450 ℃（即共用時間210 min）。分別對測試過程進行實物觀察，紅外跟蹤分析實驗以及對原料和產(chǎn)物進行固體13C-NMR、紅外、元素分析、稱量對比實驗。

1.3.2快速老化

將原料以及制備的共混物同時放入馬弗爐中450 ℃恒溫2 h，對老化產(chǎn)物實物觀察及稱量，與上述逐步老化過程對比。

2　結果與討論

2.1乙丙共混物的表征

用FT-IR分別對原料PE、PP以及制備的共混物進行表征，見圖1，很容易看出共混物兼具PE與PP的特征峰，表明共混產(chǎn)物制備良好。

圖1　原料和共混物的紅外吸收圖譜Fig.1 FT-IR spectra of raw materials and blend

2.2PE/PP共混物熱氧老化產(chǎn)物結構及老化過程分析

2.2.1逐步老化產(chǎn)物結構解析

圖2為共混物和老化產(chǎn)物13C-NMR譜圖。通過對比可以看出，老化后共混物中發(fā)現(xiàn)峰值為128.59的寬峰，此處化學位移的C一般為烯烴雙鍵或是鏈接多個O原子的縮醛C。

用FT-IR對老化產(chǎn)物進行表征見圖3。譜圖中C—H振動峰值降低，最明顯的是峰值為1 120.77 cm-1的大峰，對照此波數(shù)和峰形，此結構一般為硝酸鹽、Si—O—Si鍵、或是O/C比很高的縮醛類。

圖2　共混物和老化產(chǎn)物13C-NMR譜圖Fig.2　13C-NMR spectra of blend and the aging products

圖3 老化產(chǎn)物的紅外吸收圖譜Fig.3　FT-IR spectrum of the aging products

將共混物以及老化產(chǎn)物采用動態(tài)燃燒元素分析儀測定其中C、H含量。表1為共混物和老化產(chǎn)物的C、H元素質(zhì)量分數(shù)。先計算共混物的C/H比：令PE和PP各為1，C原子總質(zhì)量為1.714，剩下的皆為H，計算得2者質(zhì)量分數(shù)分別為85.71%和14.28%，與測試結果相差不大。老化產(chǎn)物元素分析結果表明，C、H質(zhì)量分數(shù)明顯降低，推測為O元素進入分子結構。

表1　共混物和老化產(chǎn)物的C、H元素質(zhì)量分數(shù)Tab.1　C and H element mass fractions of blend and aging products

綜上認為，PE與PP共混物在氧化老化過程中部分主鏈變?yōu)槊杨惤Y構或縮醛類化合物，圖4給出老化產(chǎn)物的大致結構示意圖。

2.2.2老化影響因素

表2為逐步老化和快速老化方式下PE、PP和共混物的老化情況對比。由表2可見，2種老化方式不同，無論是PE或是PP其老化產(chǎn)生的積碳含量也不同?？焖偕郎乩匣?，聚合物容易分解成揮發(fā)小分子，產(chǎn)生較少積炭；而逐步升溫至高溫，聚合物在緩慢分解的同時可能繼續(xù)交聯(lián)碳化而產(chǎn)生較多積炭。同時可以看出共混物的老化變黑主要是由PE產(chǎn)生，所以研究PE/PP共混物的老化歷程應重點關注PE的老化過程。

圖4 老化產(chǎn)物示意圖Fig.4　Schematic of aging product

表2　逐步老化和快速老化下PE，PP和共混物的老化對比Tab.2　Aging comparison of PE，PP and blend for gradual aging and accelerated aging

2.2.3PE老化過程分析

對PE的逐步老化過程進行紅外跟蹤觀察，見圖5?？梢钥闯鲈谥鸩嚼匣^程中，體系先產(chǎn)生羰基類化合物，繼而進一步氧化逐漸轉(zhuǎn)化為醚類。而通過圖6，空氣氛圍下PE老化的TG分析亦可以看出，在500 ℃之前的老化過程中體系質(zhì)量損失不明顯，原因是在分解揮發(fā)過程中，有形成羰基基團的O原子的進入，而在更高溫的老化進程中，羰基化合物也逐漸分解揮發(fā)，質(zhì)量損失加快。

圖5 PE逐步老化過程紅外跟蹤Fig.5　FT-IR spectrum tracking of gradual aging of PE

3　結論

對PE/PP共混物在較低溫度下的熱氧老化過程進行了探究，表明其老化過程首先產(chǎn)生羰基類化合物，繼而進一步氧化最終轉(zhuǎn)化為醚類。而隨著老化方式不同老化過程也存在區(qū)別。快速升溫老化，聚合物容易分解成小分子揮發(fā)而產(chǎn)生積炭較少；而逐步升溫老化，聚合物在緩慢分解同時可能繼續(xù)交聯(lián)碳化而產(chǎn)生較多積炭。通過實驗發(fā)現(xiàn)乙丙共混物的老化變黑主要是由PE產(chǎn)生，所以研究PE，PP共混物的老化歷程應重點關注PE的老化過程。

圖6　空氣氛圍下PE老化TG圖Fig.6　TG spectrum of gradual aging of PE in air atmosphere

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Study of products structure and process of thermal oxidative aging of PE/PP blends

ZHU Wen-qin, CHEN Shang-tao, SHI Xing-bo, ZHANG Feng-bo, WANG Yan-fang, WU Lin-mei, HUANG Qiang
(Petrochemical Research Institute, Petro China Co., Ltd., Beijing 102206, China)

The thermal aging process of PE/PP blends is very complicated, which affects the use performance of material deeply. The PE/PP blends were prepared and then characterized by FT-IR spectra, at first. Secondly, their thermal oxidative aging processes and related influencing factors were discussed by using two aging methods—gradual aging and accelerated aging. The main results are as follows: 1.the carbonyl compounds are produced and then get further oxidized to ethers during the gradual aging process; 2. the polymers easily decomposed into the small molecular volatiles and produce a little carbon deposit during the accelerated aging, while during the gradual aging process the slow decomposition and crosslinking-carbonization reactions for the polymers might occur simultaneously, so the amount of produced carbon deposit is more; 3.the aging-blackening of the PE/PP blends is caused by the aging products of PE.

PE/PP blend; polyolefin; thermal oxidative aging

TQ325.1

A

1001-5922（2016）10-0039-03

2016-08-10

祝文親（1987-），男，碩士，研究方向：聚烯烴加工改性。E-mail：zhuwenqin@petrochina.com.cn。通訊聯(lián)系人：黃強（1965-），男，有機化工專業(yè)博士，高級工程師。研究方向：聚烯烴加工改性。

E-mail：huangqiang@petrochina.com.cn。