聚丙烯土工格柵專用母粒研究

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(1 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制油化工研發(fā)中心，寧夏銀川 750411；2 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司烯烴一分公司，寧夏銀川 750411)

聚丙烯土工格柵專用母粒研究

孟永智1，田廣華1，曾祥國2，焦旗1，申宏鵬1

(1 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制油化工研發(fā)中心，寧夏銀川 750411；2 神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司烯烴一分公司，寧夏銀川 750411)

研究了兩種自制母粒對聚丙烯1102K力學(xué)和熱學(xué)性能的影響，并與進(jìn)口格柵專用母粒進(jìn)行對比。結(jié)果表明：2#母粒具有非常突出的增韌效果，添加量為1%時，沖擊強度提高了460%，拉伸斷裂強度提高了19.5%，但是剛性有所損失；1#母粒對聚丙烯有很好的剛韌平衡性，當(dāng)添加量為3%時，樣品的屈服強度提高了6.9%，斷裂強度提高了8.7%，綜合性能優(yōu)于進(jìn)口母粒，可以在聚丙烯土工格柵領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

土工格柵，聚丙烯，專用母粒，熔融結(jié)晶

塑料土工格柵是一種新型土木工程合成材料，具有強度高、抗變形能力強、質(zhì)量輕、韌性好、抗疲勞、抗老化、耐酸堿腐蝕性好等優(yōu)良性能。在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)性能上優(yōu)于金屬、石材等傳統(tǒng)加固土工材料，是理想的土木工程加固、加筋和防護(hù)材料。土工格柵能大幅減少基礎(chǔ)沉降、增強工程整體性能、提高工程質(zhì)量、延長工程壽命、降低工程造價等，被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、機(jī)場、煤礦、港口、水利等地基處理工程[1-3]。20世紀(jì)80年代英國耐特龍公司首先開發(fā)成功了塑料土工格柵，被迅速應(yīng)用于土木工程中，被國外土木工程界公認(rèn)為繼水泥之后的第四大建筑材料，并很快在世界范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。我國1998年自主研制出塑料土工格柵生產(chǎn)線，現(xiàn)已具備生產(chǎn)各種不同規(guī)格格柵的能力，其使用量持續(xù)快速增長，顯示出了廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。

聚丙烯(PP)是一種性能優(yōu)良的熱塑性合成樹脂，由于具有密度低，力學(xué)性能優(yōu)異，絕緣及耐腐蝕性能優(yōu)良，被廣泛用于制造塑料土工格柵[6-9]。聚丙烯土工格柵在生產(chǎn)中需要對沖孔的板材持續(xù)拉伸5～10倍，最終得到的格柵制品具有較高的拉伸強度。因此，用于制作土工格柵產(chǎn)品的聚丙烯原料應(yīng)該具有較高的拉伸斷裂強度和斷裂伸長率，才能滿足土工格柵制品高強度及加工過程中不發(fā)生斷裂的要求[10]。本文研究了兩種自制土工格柵專用母粒對聚丙烯1102K性能的影響，并與進(jìn)口專用母粒的性能進(jìn)行對比，研發(fā)了能有效提高聚丙烯綜合性能的母粒配方，有望在聚丙烯土工格柵領(lǐng)域推廣使用。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

聚丙烯1102K，神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)；1#母粒，自制；2#母粒，自制；3#母粒，國外進(jìn)口。

雙螺桿擠出造粒機(jī)，ZSK26型，科倍隆機(jī)械有限公司；注塑機(jī)，BT80V-Ⅱ型，博創(chuàng)機(jī)械股份有限公司；鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9245A型，上?；厶﹥x器有限公司；恒溫恒濕儀，KBF240，德國賓得公司；萬能材料試驗機(jī)，INSTRON 5966型，美國INSTRON公司；缺口制樣機(jī)，CEAST AN50，CEAST公司；沖擊試驗機(jī)，CEAST 9050，CEAST公司；差示掃描量熱儀(DSC)，DSC200F3型，德國耐馳機(jī)械儀器有限公司；熔體流動速率儀，MFI-2322，承德金建檢測儀器有限公司。

1.2 樣品制備

首先以聚丙烯1102K為基料與不同的助劑制成一定濃度的母粒，然后母粒與聚丙烯1102K按照一定的比例計量加入雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒。造粒條件：螺桿直徑26mm，長徑比40，螺桿轉(zhuǎn)速3600r/min，負(fù)荷25kg/h，擠出機(jī)各部分溫度設(shè)置：T1=188℃，T2=195℃，T3=205℃，T4～T7=210℃，T8、T9=200℃。

將擠出切粒后的樣品在80℃真空烘箱中干燥2h，然后注射成型樣條。注塑條件：注塑溫度220℃～230℃，模溫45℃，注射壓力90bar，注射時間2s，保壓壓力80bar，保壓時間25s，冷卻時間45s。

樣條在23℃、相對濕度50%的條件下放置48h后，進(jìn)行性能測試。

1.3 性能測試

1.3.1 熔融指數(shù)測試

依據(jù)GB/T 3682-2000測定。測試樣品質(zhì)量為4g，溫度230℃，負(fù)荷2.16kg，樣品預(yù)熱時間4min。

1.3.2 熔融和結(jié)晶性能測試

用差示掃描量熱儀進(jìn)行測試。在氮氣保護(hù)下，用銦作為標(biāo)準(zhǔn)物對溫度和熔融焓進(jìn)行校準(zhǔn)。樣品質(zhì)量約為8mg，初始溫度為30℃；以20℃/min的速率將樣品快速升溫到200℃，恒溫5min，消除熱歷史；再以20℃/min的速率降溫到50℃，恒溫5min；最后以20℃/min的速率升溫到200℃，恒溫5min結(jié)束。

1.3.3 力學(xué)性能測試

樣品的簡支梁缺口沖擊性能，通過擺錘沖擊試驗機(jī)在常溫下測得。樣品的拉伸與彎曲性能，使用萬能材料實驗機(jī)測得，拉伸速度20mm/min，彎曲速度2mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱學(xué)性能

熔融指數(shù)是表示聚合物熔體流動性能的一個參數(shù)，與熔體粘度成反比，熔融指數(shù)越高聚合物熔體的流動性越好。樣品的熔融指數(shù)如表1所示，可以看出三種母粒的添加對聚丙烯1102K的熔體流動性能沒有太大影響。

表1 不同母粒對1102K熱學(xué)性能的影響Table 1 Effect of different masterbatch on thermal properties of 1102K

續(xù)表1

編號熔融指數(shù)/(g/10min)熔融溫度/℃熔融焓/(J/g)結(jié)晶溫度/℃結(jié)晶焓/(J/g)結(jié)晶度/%1102K+2#1%3781531/16511023119794548951102K+2#2%3781540/16811035119493149521102K+2#3%3861534/16801023120092948951102K+3#2%3891555/16581075121010055144

采用DSC表征了樣品的熔融結(jié)晶性能，由表1可以看出，三種母粒都具有提高聚丙烯結(jié)晶度的功能，說明三種母粒均具有成核效果。1#母粒效果最好，添加量為1%時，結(jié)晶度提高了2.68%，3#母粒與1#母粒基本相當(dāng)，2#母粒對聚丙烯結(jié)晶度提高幅度相對較小。

圖1、圖2分別為添加1#、2#母粒后對1102K熔融結(jié)晶性能的影響曲線。

圖1 1#母粒對1102K熔融結(jié)晶性能的影響Fig.1 Effect of 1# masterbatch on melt crystallization of 1102K

圖2 2#母粒對1102K熔融結(jié)晶性能的影響Fig.2 Effect of 2# masterbatch on melt crystallization of 1102K

由圖1可以看出，1#母粒對1102K的熔融溫度幾乎沒有影響；添加3#母粒后熔融曲線上出現(xiàn)了雙峰，155℃附近的峰是典型的β晶型的熔融峰，說明3#母粒對1102K具有β成核效果。由結(jié)晶曲線可以看出，1#母粒使1102K的結(jié)晶溫度明顯提高，添加1%時，結(jié)晶溫度提高了13.8℃，之后，隨著添加量的增加，結(jié)晶溫度有緩慢增大的趨勢。3#母粒添加量為2%時，結(jié)晶溫度提高了10.7℃。結(jié)晶溫度的提高有利于聚丙烯加工成型。

由圖2可以看出，2#和3#母粒添加后熔融曲線上均出現(xiàn)了雙峰，說明兩種母粒對1102K均具有β成核效果，2#母粒β晶的峰值更高，說明形成的β晶更多，β晶型能夠有效提高聚合物的韌性，可以預(yù)測2#母?？梢蕴岣邩悠返目箾_擊性能；而且隨著添加量的增加167℃附近的峰越小，這也是2#母粒結(jié)晶度較小的原因。結(jié)晶曲線可以看出，2#母粒使1102K的結(jié)晶溫度有所提高，但提高的幅度較3#母粒略小。

2.2 力學(xué)性能

樣品的沖擊強度如表2所示，可以看出，1#母粒使樣品的沖擊強度略有降低；2%母粒使樣品的沖擊強度大幅提高，添加量為1%時，沖擊強度提高了460%，而且隨著添加量的增加，沖擊強度呈上升趨勢；3#母粒添加2%時，沖擊強度提高了188%。

表2 不同母粒對1102K力學(xué)性能的影響Table 2 Effect of different masterbatch on mechanical properties of 1102K

聚丙烯土工格柵產(chǎn)品對原料的拉伸屈服強度和斷裂強度有很高的要求。從表2可以看出，1#母粒對樣品的屈服強度和斷裂強度均有提高，當(dāng)添加量為3%時，屈服強度提高了6.9%，斷裂強度提高了8.7%；2#母粒對樣品的斷裂強度有較大幅度的提高，但是屈服強度有所降低，添加量為1%時，斷裂強度提高了19.5%，屈服強度下降了16.8%；3#母粒對樣品的屈服強度基本沒有影響，添加2%時，斷裂強度提高了8.6%。可見，1#母粒對1102K有很好的剛韌平衡性，性能優(yōu)于進(jìn)口母粒，可以在聚丙烯土工格柵領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過研究兩種自制母粒對聚丙烯熱學(xué)和力學(xué)性能的影響，并且與進(jìn)口母粒進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：

(1)三種母粒1102K均有異相成核作用，都能提高樣品的結(jié)晶度和結(jié)晶溫度，而對樣品的熔融指數(shù)基本沒有影響。

(2)1#母粒具有很好的剛韌平衡性，當(dāng)添加量為3%時，樣品的屈服強度和斷裂強度都得到了提高，綜合性能優(yōu)于進(jìn)口母粒，可以在聚丙烯土工格柵領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

(3)2#母粒能夠大幅度提高1102K的韌性，添加量為1%時，沖擊強度提高了460%，斷裂強度提高了19.5%，但是樣品的剛性損失較大，可以用于對韌性要求較高的領(lǐng)域。

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StudyonSpecialMasterbatchforPolypropyleneGeogrid

MENG Yong-zhi1，TIAN Guang-hua1，ZENG Xiang-guo2，JIAO Qi1，SHEN Hong-peng1

(1 The Research & Development Center of CTL Chemical of SNCG，Yinchuan 750411，Ningxia，China；2 First Branch Olefin Company of SNCG，Yinchuan 750411，Ningxia，China)

Effect of two kinds of self-made masterbatch on the mechanical and thermal properties of polypropylene 1102K were studied，and compared with imported grille dedicated masterbatch.The results showed that：2# masterbatch has a very prominent toughening effect，when the dosage was 1%，the impact strength increased by 460% and the tensile strength increased by 19.5%，but the rigidity has declined；1# masterbatch has good stiffness and toughness for polypropylene，when the dosage was 3%，the yield strength of samples increased by 6.9% and the fracture strength increased by 8.7%，the overall performance is better than imported masterbatch，can be used in the field of polypropylene geogrid.

geogrid，polypropylene，special masterbatch，melt crystallization

TQ 325.1+4