《武汉工程大学学报》  2010年11期 58-61   出版日期：2010-11-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

共混对聚丙烯力学性能的影响


0引言随着聚合物加工领域的技术进步,一系列新的聚合物成型方法及设备已逐步被开发并进入市场,如聚合物动态塑化挤出、注射、混炼方法及设备的制造［1］.利用各种实验方法可以改善和获得较好的加工性能的聚合物［2］.而在聚丙烯加工过程中,加工条件也会对聚丙烯的加工性能产生影响,比如注射工艺条件会对成型聚丙烯样条的收缩率产生影响［3］,自20世纪50年代来,兴起了一类新型高分子材料—热塑性弹性体,它兼有塑料和橡胶的特性,在常温下显示橡胶高弹性,高温下又能塑化成型,因此它可以像热塑性塑料那样进行加工,并且不需要进行硫化处理［4］.这种材料成功地将普通橡胶的一些特性,如回弹性、耐热性和低压缩性与热塑性塑料的易加工性,如注射成型、吹塑成型、挤出成型等结合在一起［5］.而制备热塑性弹性体具有制作成本比较低廉的优势,因此,近几十年来得到较快的发展［6］,聚丙烯(PP)类共混型热塑性弹性体具有原料丰富、价格低、流动性好、易加工性等优点［7］,80年代初期殷敬华、黄葆同等人和朱玉俊等人分别研制出了EPDM/PP热塑性弹性体,且申请了专利［8］,有文献报导超支化聚合物可以在塑料中作为加工助剂和流变改性剂,关于超支化聚合物改性热塑性弹性体的报道却少见［9］,本论文的创新点在于超支化聚合物含量对聚丙烯的力学性能的影响.1实验部分1.1实验用原料聚酯型超支化树脂:实验室自制；三元乙丙橡胶(EPDM):Mooney黏度为25,第三单体为ENB,陶氏化学；PP:牌号8303/7726,北京燕山石化生产.异丙苯过氧化氢(DCP)、三烯丙基异三聚氰酸酯(TAIC):上海方锐达化工有限公司生产.抗氧剂168,化学名称为三(2,4二叔丁基苯基)亚磷酸酯,抗氧剂1010,化学名称为四［β(3,5二叔丁基4羟基苯基)丙酸］季戊四醇酯:瑞士BASF公司生产.1.2实验用仪器与设备同向双螺杆挤出机,型号为SHJ36,南京诚盟化工机械有限公司.注射机，型号为JPH50,广东泓利机械有限公司.万能制样机,河北省承德试验机厂.悬臂梁冲击试验机，型号为XJU22,承德试验机有限公司.万能试验机，型号为WDW20,深圳凯强利机械有限公司.1.3样品制备以及试样力学性能分析取一定量的牌号为7726的聚丙烯和牌号为8303的聚丙烯在同向双螺杆挤出机中共混,共混温度190 ℃,转速160 r/min,然后置于真空干燥箱中在96 ℃的条件下约干燥3 h.取出共混好的聚丙烯注射成型,注射的温度为210 ℃左右并分别进行断裂生长率、抗拉力、拉伸强度、冲击强度等力学性能的测试和熔融指数的测定.拉伸性能按标准GB104092,熔体流动速率按GB/T36822000测定,缺口冲击采用国标GB/T1843 1996.本文主要考虑断裂伸长率,熔融指数,低温缺口冲击这三个方面的力学性能.通过实验测试,比较7726牌号聚丙烯和8303牌号聚丙烯在不同比例共混下的综合力学性能,选出合适的聚丙烯共混比例进行第二步的实验,然后再通过改变橡胶的用量,找到合适的橡塑比后进行第三步实验,第三步实验主要研究超支化聚合物含量的变化对共混物的力学性能的影响.总体来说,第一步是确定不同牌号PP之间的比例,第二步是确定橡胶的含量,第三步是确定超支化聚合物的含量,最终确定当可以达到合适的综合力学性能时组分的最佳比例.在第二步第三步实验中,为保证充分共混和硫化,挤出工艺采用先加入PP,EPDM,TAIC,抗氧剂,超支化聚合物挤出一次,然后再加入DCP挤出一次.通过分析比较此时共混挤出温度仍然为190 ℃.注:笔者预期的综合力学性能达到最佳是指断裂伸长率达到150%以上,熔融指数达到0.8 g/min以上,低温缺口冲击能量能达到15 kJ/M2以上,这三者要同时满足.第11期严康,等:共混对聚丙烯力学性能的影响
武汉工程大学学报第32卷
2结果与讨论2.1拉伸实验将这两种不同牌号的聚丙烯共混对材料的拉伸性能的影响如表1所示,拉伸速率为50 mm/min,温度为常温5 ℃.表1材料配比对共混聚丙烯拉伸性能的影响
Table 1Influence of materials ratio on the tensile properties of polypropylene blends
8303∶7726断裂伸长率/%抗拉力/N拉伸强度/(N·mm-2)10∶05401064.426.610∶11661097.527.210∶2174110627.210∶32201078.527.310∶41001161.329.210∶51561171.529.610∶6108114128.1纯772601112.827.5表1的数据表明:纯的7726牌号聚丙烯的断裂伸长率是0,纯的8303牌号的聚丙烯的断裂生长率达到了540%.而随着共混物中7726聚丙烯的增加,试样抗拉力和拉伸强度基本上没有多大变化,抗拉力大约都保持在1 100 N左右,拉伸强度都保持在28 MPa左右,但断裂生长率却随着7726牌号聚丙烯的量的增大却发生了很明显的变化,当试样比例为10∶3时,断裂生长率可以达到最大,如果此时再次增加7726牌号聚丙烯的用量,断裂生长率会下降.造成这种现象的原因可能是由于两种聚丙烯分子之间连结方式不同,8303的分子间连接性要好于7726,所以8303在添加了一点7726以后,分子的连结方式遭到了破坏,分子间的连接性降低,其断裂伸长率一下子会降到很小,可是随着7726的增多,8303和7726的分子之间互相交错,此时分子连结性提高变好,断裂伸长率反而提高,当7726过多时,8303的分子间连结性彻底被破坏,所以断裂伸长率降到了最低.2.2共混对材料熔融指数的影响7726是一种分子量比较低的无规聚丙烯,当它掺入高分子量的聚丙烯8303中时会对共混材料的熔融指数(MI)产生影响.其测试结果如图1所示.图1材料配比对共混聚丙烯熔体流动速率的影响
Fig.1Influence of materials ratio on melt flow rate of polypropylene blends从图1可以看出,随着7726牌号聚丙烯用量的增大,其熔融指数也在逐渐增大,可能是因为8303分子之间的连结性要大大的好于7726,所以分子间的润滑性就大大的差于7726,随着7726的增多,8303分子间插入了许多7726分子,这样导致了分子间的润滑性变好,7726越多,其分子就充斥在8303的分子之间,熔融指数越来越大.2.3低温缺口冲击不同配比的共混聚丙烯材料对悬臂梁冲击性能的影响如图2所示.图2材料配比共混聚丙烯对冲击性能的影响
Fig.2Influence of materials ratio on impact properties of polypropylene blends图2表明:随着7726聚丙烯的用量增大,冲击能量会在3到4之间达到最大值,对比以上的数据,发现冲击能量会先增大后减小,特别是在8303和7726的比例在10∶3和10∶4时达到最大值.这是由于聚合物分子连结性越高,其刚性也就越好,7726刚加入一瞬间,8303的分子连结性受到严重破坏,所以刚性变的非常差,7726的量增大时,慢慢的两种分子之间形成交错,连结性反而变好,刚性就变好了,当7726的量过多时,连结性又变差,刚性就又变差了,所以冲击能量才会有这样的趋势.2.4橡胶含量对共混材料力学性能的影响经过筛选发现当两者比例在10∶3时,其各项力学性能(如断裂生长率、冲击强度)可以达到比较好的指标,所以从中选出10∶3这个比例制备PP/EPDM热塑弹性体.其结果如表2所示.
表2EPDM用量对PP/EPDM热塑弹性体性能的影响
Table 2Influence of the amount of EPDM on PP / EPDM thermoplastic elastomer properties
橡胶质量分数
为5%的TPE橡胶质量分数
为8%的TPE断裂生长率/%120180抗拉力/N1 0881 016抗拉强度/(N·mm-2)26.824.9缺口冲击强度/(kJ·M-2)11.8515.00比较表2的数据可以发现:随着材料中橡胶含量的增加,综合力学性能会有提高.2.5超支化聚合物对共混物力学性能影响研究表明超支化聚合物的用量对这种热塑性弹性体的力学性能会有明显的影响.在研究中先用本实验室合成的一种超支化树脂,考察其用量对共混材料性能的影响,其结果如表3所示.
表3超支化树脂的用量对共混材料性能的影响
Table 3Influence of HBP content on the properties of blends
超支化聚合物占总量的质量分数0.0030.0050.007断裂伸长率/%1807540抗拉力/N1 0161 019.5931.6抗拉强度/(N·mm-2)24.926.2223.7熔融指数/(g·min-1)0.724 81.6291.957低温缺口冲击/(kJ·M-2)15．0016.2317.44注:EPDM8份,PP12份(8303∶7726=10∶3),其它助剂适量表3表明:超支化聚合物含量的不同也会对其力学性能产生很大的影响.当超支化聚合物的含量增多时,断裂伸长率会随着超支化含量的变大而减小,熔融指数和冲击能量会增大,此时降低或增大超支化的含量都会影响其力学性能.这是由于超支化聚合物在共混物中起着刚性小球的作用,使其分子之间变得润滑.随着超支化聚合物含量的增大,熔融指数也变大,由于这种刚性小球连结着共混物分子,所以分子的刚性变好,冲击性能也会由于刚性的变好而增大,相反的断裂伸长率会降低.我们发现当熔融指数和低温缺口冲击性能上升时,断裂伸长率在下降.综合整体的力学性能考虑,选用超支化聚合物含量为0.003.3结语a. 改变橡胶的含量,改变聚丙烯不同牌号共混的情况,或是改变超支化聚合物的含量,都会对其共混物的力学性能产生影响.其影响程度是超支化聚合物＞橡胶＞聚丙烯,通过调整超支化聚合物的含量来达到我们的最终目标.b. 选择适当的橡塑比(本论文里选用的是8%的橡胶含量)、合适的聚丙烯比例(本论文选择的是8303∶7726=10∶3的比例)、适当的超支化聚合物的含量(本论文选择的是0.003),所得的共混合其力学性能可以达到最佳.