工藝條件對超高黏度增強聚丙烯材料性能的影響

王琦玲， 趙 勃， 杜 賞

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司， 上海 201714)

工藝條件對超高黏度增強聚丙烯材料性能的影響

王琦玲， 趙 勃， 杜 賞

(上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司， 上海 201714)

通過改變擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)、螺桿轉(zhuǎn)速及擠出溫度，研究了熔融擠出過程中剪切強度對超高黏度增強聚丙烯(PP)材料力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)混煉段螺桿的分散混合能力減弱，且當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速較低時，熔體受到的機械剪切應(yīng)力較小，在擠出過程中有效地減少了玻璃纖維的斷裂，使其平均長度較長，拉伸強度提高了3.6%，彎曲強度提高了4.1%，沖擊強度提高了22.2%，材料的力學(xué)性能提高。

聚丙烯； 玻璃纖維； 平均長度； 螺桿結(jié)構(gòu)； 螺桿轉(zhuǎn)速

0 前言

聚丙烯(PP)是目前世界上用量最大的通用塑料之一，其應(yīng)用涉及人們生活的各個領(lǐng)域[1-3]，具有良好的綜合性能。但是在許多應(yīng)用場合，仍存在著強度、剛性以及耐熱性不足的缺點。改善這些缺點常用的方法之一就是在PP中加入玻璃纖維。玻璃纖維(GF)具有原料易得、拉伸強度高、斷裂伸長低、彈性模量高、防火、防霉、耐熱、耐腐蝕和尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點，是一種常用的性能優(yōu)良的增強材料[4-7]。

玻璃纖維增強PP材料具有高強度、高模量、低成本、易加工、可回收等優(yōu)點，在汽車制造業(yè)、電子產(chǎn)品、日常生活用品等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)玻璃纖維增強塑料的過程中，玻璃纖維的尺寸及其分散效果、螺桿轉(zhuǎn)速、擠出溫度、螺桿結(jié)構(gòu)等因素都會對產(chǎn)品的最終性能產(chǎn)生影響[8-13]。已報道玻璃纖維增強PP材料的研究工作主要集中在玻璃纖維含量、種類及基體界面情況等方面[14-27]，而對控制玻璃纖維增強PP材料的加工過程，即雙螺桿擠出機的加工工藝參數(shù)對復(fù)合材料性能影響的研究鮮有報道。本文通過對雙螺桿擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)進行重排、調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速以及調(diào)整擠出溫度，改變加工時PP/玻璃纖維共混體系受到的剪切強度，得到不同平均長度的玻璃纖維增強PP材料，并進一步研究玻璃纖維保留長度對材料力學(xué)性能及流動性的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

共聚PP1：PP B8101，相對密度為0.9 g·cm-3，熔融指數(shù)為0.45 g·(10 min)-1，中國石化揚子石油化工有限公司；

共聚PP2：PP獨山子K8003，相對密度為0.9 g·cm-3，熔融指數(shù)為2.5 g·(10 min)-1，中國石油獨山子石化公司；

馬來酸酐改性PP：BONDYRAM 1001CN，Polyram以色列公司；

玻璃纖維：ECS13-04-508A，單絲直徑為13 μm，巨石集團有限公司。

1.2 儀器和設(shè)備

同向雙螺桿擠出機：TSE-75，長徑比為40∶1，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑機：EM80-V，震德塑料機械有限公司；

馬弗爐：SXZ-8-10，濟南精密科學(xué)儀器儀表有限公司；

萬能材料試驗機：Z010，德國Zwick/Roell集團；

二次元影像測量儀：YVM-3020CSPC，上海界限公司；

熔體流動速率測試儀：DMF-003，德國Zwick/Roell集團。

1.3 試樣制備及處理

將PP、馬來酸酐改性的PP均勻混合后，通過計量稱從主喂料口喂入，玻璃纖維通過計量稱從側(cè)喂料機喂入，再通過同向雙螺桿擠出機擠出造粒得到成品。擠出各段設(shè)定溫度：一段為100 ℃；二段為200 ℃；三段為220 ℃；四段為220 ℃；五段為220 ℃；六段為210 ℃；七段為210 ℃；八段為210 ℃；九段為210 ℃。機頭溫度設(shè)定為220 ℃，實際溫度控制偏差在±10 ℃內(nèi)，并通過注塑機打成標準(ISO 1873-2-2007)樣條。試樣成型后在(23±2) ℃、(50±5)%濕度環(huán)境中放置(24±1) h，測試其力學(xué)性能。

1.4 性能測試

拉伸性能測試：按ISO 527-2-2012標準測試，拉伸速度為50 mm/min，測量拉伸強度；

彎曲性能測試：按ISO 178-2010標準測試，試驗速度為2 mm/min，測量彎曲強度和彎曲模量；

熔體流動速率測試：按ISO 1133-1-2011標準測試，測試溫度為230 ℃，負荷為2.16 kg，測量熔融指數(shù)；

玻璃纖維保留長度測定：取馬弗爐中獲得的玻璃纖維分散在載玻片上，用二次元影像測量儀觀察，測量每根玻璃纖維的長度。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠出溫度對復(fù)合材料力學(xué)性能及玻璃纖維保留長度影響

2.1.1 擠出溫度對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖1、圖2中可以看出，隨著擠出溫度的上升，復(fù)合材料的彎曲強度、拉伸強度和缺口沖擊強度均有不同程度的提高。分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度從190 ℃上升到210 ℃時，復(fù)合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度增長較快，其中缺口沖擊強度增長最多，提高了12.9%；當(dāng)溫度到達230 ℃以上時，復(fù)合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度增長變得緩慢。這是因為PP樹脂熔體是假塑性流體，在溫度相對較低時，玻璃纖維和PP樹脂熔體對溫度的敏感性強。PP樹脂的流動性不斷增強，玻璃纖維增強PP復(fù)合材料中的玻璃纖維的平均長度趨于較長的尺度狀態(tài)，進而復(fù)合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度相應(yīng)得到提高。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，復(fù)合材料中的玻璃纖維平均長度與溫度關(guān)聯(lián)性趨于弱化，玻璃纖維的平均長度變化小，玻璃纖維增強PP 復(fù)合材料的拉伸強度和缺口沖擊強度的增長趨緩[7]。

圖1 擠出溫度對復(fù)合材料拉伸強度及彎曲強度的影響

圖2 擠出溫度對復(fù)合材料缺口沖擊強度的影響

2.1.2 擠出溫度對復(fù)合材料玻璃纖維保留長度的影響

從圖3可以看出，隨著擠出溫度的升高，玻璃纖維保留長度相應(yīng)提高，這是由于擠出溫度的提高導(dǎo)致了物料黏度的下降，熔體流動性提高，有利于玻璃纖維的浸潤，加工過程中會減輕玻璃纖維的折斷[28]，進而促使材料力學(xué)性能提升。

圖3 擠出溫度對復(fù)合材料玻璃纖維保留長度的影響

2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料力學(xué)性能及流動性影響

2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖4、圖5可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊強度均出現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中缺口沖擊強度下降幅度最大，下降了18.2%。這是因為隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，螺筒內(nèi)PP熔體受到的剪切力相應(yīng)增大，玻璃纖維與螺桿和螺筒之間的摩擦力變大，導(dǎo)致大量玻璃纖維被螺桿剪斷，玻璃纖維的平均長度變短，最終使得復(fù)合材料的強度下降[29-30]。

圖4 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料拉伸強度及彎曲強度的影響

圖5 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料缺口沖擊強度的影響

2.2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料玻璃纖維保留長度的影響

從圖6可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料的玻璃纖維保留長度逐漸下降。這是因為隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，對物料的剪切速率也提高，導(dǎo)致玻璃纖維斷裂破壞的數(shù)量趨于增加，玻璃纖維的保留長度變短。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料玻璃纖維保留長度的影響

2.2.3 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料流動性的影響

從圖7可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料的熔融指數(shù)在不斷增加。這是由于螺桿轉(zhuǎn)速增加，對物料的剪切速率也提高，玻璃纖維的保留長度變短，熔體黏度降低，進而使得復(fù)合材料的流動性增加。

圖7 螺桿轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料熔融指數(shù)的影響

2.3 螺桿結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)性能及流動性影響

如圖8所示，擠出機的側(cè)加料至擠出機機頭部分采用兩種螺桿結(jié)構(gòu)。1#螺桿結(jié)構(gòu)為弱剪切組合，設(shè)計思路為將剪切混合元件分開交叉布置，并用輸送元件將其間隔開來，能夠提高螺桿的輸送能力，有利于玻璃纖維長度的保持。2#螺桿結(jié)構(gòu)去掉了1個56/56輸送塊，將K45°×1和K90°×1連續(xù)排列增加剪切效果，增加K45°×1和反向K45°×1剪切塊組合代替1個K90°，以及增加1個薄剪切塊K45°，螺桿后段剪切塊數(shù)量從4個增加至6個，使雙螺桿對熔體的剪切強度大幅度增加。從表1可知，改變螺桿結(jié)構(gòu)，材料熔體與玻璃纖維受到的剪切強度及混合效果有所不同。剪切強度較弱的1#螺桿結(jié)構(gòu)相比2#螺桿結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料的玻璃纖維保留長度更長，相應(yīng)力學(xué)性能更好，但流動性略低。

圖8 不同螺桿結(jié)構(gòu)示意圖表1 不同螺桿結(jié)構(gòu)對應(yīng)的產(chǎn)品力學(xué)性能及流動性

螺桿結(jié)構(gòu)拉伸強度/MPa斷裂伸長率/%缺口沖擊強度/(kJ·m-2)彎曲強度/MPa彎曲模量/MPa熔融指數(shù)/[g·(10min)-1]玻璃纖維保留長度/mm1#45.47.321.062.025801.180.62642#44.86.718.661.524401.480.5294

3 結(jié)論

(1) 隨著擠出溫度的升高，復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度均增加，沖擊強度最大增加了12.9%，玻璃纖維保留長度也增加；

(2) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度逐漸均在降低，沖擊強度最大降低了18.2%，玻璃纖維保留長度也減小，材料流動性在增加；

(3) 擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)對玻璃纖維在基體中的保留長度有很大影響，弱剪切螺桿結(jié)構(gòu)較強剪切螺桿的力學(xué)性能較優(yōu)。

[1] 洪定一.聚丙烯——原理、工藝與技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2002.

[2] 朱春龍, 李懷棟, 付發(fā)祥, 等.基于汽車前段框架用玻纖增強PP復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J]. 塑料工業(yè),2015,43 (7):89-90.

[3] 朱春龍, 馬超, 付發(fā)祥, 等.汽車用玻纖增強PP的制備及力學(xué)性能研究[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2017,29(3):29-29.

[4] 余金文.淺談PA6改性的技術(shù)特點[J].化工新型材料, 2014,42(1):179-180.

[5] HUANG Y H, YANG X H, ZHAO S L. Studies on the blends of carbon dioide copolymer [J]. J Apply Polym Sci,1996,61(9):1479-1486.

[6] 趙若飛, 周曉東, 戴干策.玻璃纖維增強熱塑性復(fù)合材料的增強方式及纖維長度控制[J].纖維復(fù)合材料,2000(1):19-22.

[7] 蔣偉星, 李榮勛, 申欣, 等.玻璃纖維增強聚丙烯的研制[J].橡塑技術(shù)與裝備,2005,31(8): 24-27.

[8] 羅筑, 于杰, 陳興江, 等.工藝條件對玻纖增強ABS材料力學(xué)性能的影響[J].中國塑料,2002,16(6): 51-52.

[9] 鐘世云, 梁昊.影響長纖維增強熱塑性塑料注塑制品中纖維長度的主要因素[J].合成材料老化與應(yīng)用,2004,33(1): 28-32.

[10] 熊玉竹.短切玻纖增強尼龍6的缺口拉伸性能[J].工程塑料應(yīng)用,2009,37(5):60-62.

[11] 鄭一泉, 孫雅杰, 丁超, 等.玻纖增強尼龍材料的Weibull統(tǒng)計分析[J].工程塑料應(yīng)用, 2012,40(7):64-67.

[12] 石建江, 陳憲宏, 肖鵬.阻燃玻纖增強尼龍66的研制及其應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2006,34(1): 35-37.

[13] 陳桂蘭, 羅偉東, 李榮勛, 等.工藝條件對玻纖增強ABS的影響[J].工程塑料應(yīng)用,2002, 30(5):16-18.

[14] 湯俊杰，李昌鴻，史鵬偉，等.PP-g-MAH相容劑TVOC含量對玻纖增強聚丙烯熱氧老化性能的影響[J].塑料工業(yè),2016,44(2):113-117.

[15] 莊衛(wèi)國.玻纖含量對玻纖增強聚丙烯拉伸性能的影響[J].精密成型工程,2010,2(2):20-22.

[16] 張志堅，龔穎，盧康利，等.玻纖含量對長纖維增強聚丙烯性能的影響[J].工程塑料應(yīng)用,2013,41(1):35-38.

[17] 吳維新，任璞，李賓，等.玻纖形態(tài)對長玻纖增強聚丙烯性能的影響[J].工程塑料應(yīng)用,2013,41(1):23-26.

[18] 汪克風(fēng)，呂家杰，劉珍元，等.玻纖增強PP復(fù)合材料的研究[J].廣東化工,2013,40(3):1-3.

[19] 連榮炳，徐名智，李強，等.玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料性能研究[J].塑料科技,2008,36(8):40-44.

[20] 張楊，陳萌，鐘穎，等.基料與相容劑對長玻纖增強聚丙烯性能的影響[J].上海塑料,2017(2):27-31.

[21] 陳現(xiàn)景，岳云龍，于曉杰，等.界面改性方法對玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2008(1):14-16.

[22] 秦計生，彭雄奇，申杰，等.考慮纖維方向分布的玻纖增強PP復(fù)合材料拉伸性能[J].復(fù)合材料學(xué)報,2013,30(4):53-58.

[23] 宋吉威，張純，劉衛(wèi)，等.偶聯(lián)劑對玻纖增強PP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].塑料科技,42(6):105-108.

[24] 余劍英，周祖福，聞荻江.纖維表面處理與基體改性對連續(xù)玻纖增強聚丙烯力學(xué)性能的影響[J].復(fù)合材料學(xué)報,2000,17(3):6-10.

[25] 魏來，蘭修才，李謙，等.相容劑和玻纖含量對無鹵阻燃增強聚丙烯材料性能影響的研究[J].塑料工業(yè),2016,44(8):120-124.

[26] 李文龍，金江彬，張挺，等.相容劑添加量對玻纖增強聚丙烯性能的影響[J].黑龍江科學(xué),2017,8(8):45-52.

[27] 何建明，王選倫，李又兵，等.長玻纖增強聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的研究[J].塑料技術(shù)與裝備,2014,40(24):29-31.

[28] 孫紅玲.玻璃纖維增強尼龍66復(fù)合材料的制備與性能研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2012.

[29] 李懷棟, 錢岑.高剪切應(yīng)力對PP/PS/EPDM材料力學(xué)性能的影響[J].塑料工業(yè),2013,41(2): 93-96.

[30] 楊建民, 李春忠, 張玲, 等.螺桿結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)速對玻璃纖維增強PA66符合材料力學(xué)及流變性能的影響[J].高分子材料科學(xué)與工程,2010,26(10):119-120.

InfluencesofProcessConditionsonPropertiesofUltraHighViscosityPolypropyleneMaterial

WANGQi-ling,ZHAOBo，DUShang

(Shanghai Kingfa Science and Technology Co., Ltd.， Shanghai 201714, China)

Based on the change of the extruder screw structure, the screw rotation speed and extrusion temperature, the influence of changing shear strength on mechanical property of ultra high viscosity PP resin was studied in the process of melt extrusion. The results showed that when the disperse mixing capacity of mixing section of the screw became weakened, and the screw rotation speed became lower, the mechanical shearing stress on melt became smaller. Reduced the fracture of the fiberglass effectively in the process of melt extrusion and increased the average length of glass fiber, which made the tensile strength increased by 3.6%, the bending strength increased by 4.1%, the impact strength increased by 22.2%, the mechanical properties of the materials better.

polypropylene； glass fiber； average length； screw structure； screw rotation speed

王琦玲 (1986—)，女，工程師，從事改性高分子材料的研發(fā)工作。

TQ 325.1+4

A

1009-5993(2017)04-0037-05

2017-08-21)

索爾維發(fā)布了《用于醫(yī)療器械的高性能聚合物》最新手冊

全球領(lǐng)先的特種聚合物供應(yīng)商索爾維發(fā)布了最新手冊，以幫助醫(yī)療器械生產(chǎn)商提高對業(yè)內(nèi)最為廣泛的先進熱塑性塑料的認知和應(yīng)用。

這份名為“用于醫(yī)療器械的高性能聚合物”手冊詳細介紹了索爾維特針對醫(yī)療保健領(lǐng)域推出的特種聚合物。

“連接器、拉手、傳感器外殼、微細管、監(jiān)護儀框架和盒子對性能的要求差異非常大，”索爾維特種聚合物醫(yī)療保健的全球業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Jeff Hrivnak介紹，“但許多應(yīng)用的需求都有共同點，而索爾維特種聚合物獨特的性能組合便可滿足這些需求。新的手冊有助于設(shè)計師準確找到能夠滿足他們需求的材料?！?/p>

作為可靠的特種聚合物供應(yīng)商，索爾維為醫(yī)療保健領(lǐng)域服務(wù)歷史已經(jīng)超過了25年。索爾維為醫(yī)療保健行業(yè)提供門類最為豐富的熱塑性塑料，各種高性能醫(yī)用級聚合物被廣泛用于骨科應(yīng)用、消毒盒、托盤、醫(yī)療設(shè)備和牙科器械；索爾維同時還為各種植入器械提供Solviva?系列的生物材料。