聚丙烯共混改性材料力学性能的研究

1、聚丙烯共混改性材料力学性能的研究罗 筑1，刘一春1，于 杰2，陈兴江2(1.贵州工业大学材料与结构测试中心，贵州 贵阳 550003；2.贵州科学院贵州省工程复合材料中心，贵州 贵阳 550001)摘 要：通过较全面地就不同添加组份对聚丙烯共混改性材料的强度、塑性、韧性影响进行实验研究，比较了不同填充剂、增韧剂、聚丙烯种类及聚丙烯/高密度聚乙烯合金化对聚丙烯材料的改性效果，据此提出了针对不同使用场合具较佳综合性能的材料配比，并进行了实验验证。关键词：聚丙烯；共混改性；配方设计；性能优化中图分类号：TQ327；TQ327.8 文献标识码：A聚丙烯（PP）作为用量较大的通用塑料之一，以其相对的廉价

2、及良好的加工性能而受到青睐，但聚丙烯存在着冲击强度低（常温下缺口冲击强度仅为4-6KJ/m2）及收缩率大而导致制品尺寸不稳定的缺点，使其应用受到很大限制，因此需进行共混改性，通常加入价格低廉的无机填料以增加其尺寸稳定性和刚度或加入较为昂贵的弹性体材料以提高冲击性能，甚至制成聚合物合金的方式以求获得良好的综合性能，形成了多种填充、增韧的聚丙烯共混改性方式。而以往的研究主要是较孤立地针对改性过程中加入的少数组分对性能产生的影响进行的，缺乏对不同的改性方式对材料性能影响的综合认识。本文通过对不同的填充剂、增韧剂、聚丙烯材料构成及塑料合金的组分配比这几个影响改性材料力学性能的主要方面进行实验研究，获得

3、不同改性剂对材料性能的影响效果，在较系统实验的基础上得出性能价格比较佳的材料配方组成。 1 实验方法1.1 实验材料配比选择为得到成本适中，综合性能较好的改性材料，采用填充和增韧同步改性的方式选择材料配比，即用加入弹性体的增韧材料研究不同填充剂对材料性能的影响，用加入填充剂的材料研究不同弹性体增韧剂对材料性能的影响。1.2 原材料共聚型聚丙烯，韩国现代石化公司，牌号M1600均聚型聚丙烯，湖南长盛石化公司，牌号V30G高密度聚乙烯，茂名石化公司，牌号8920弹性体，三元乙丙胶（EPDM），美国杜邦公司弹性体，二元乙丙胶（EPR），吉林石化公司弹性体，POE，美国杜邦公司滑石粉，广西龙广滑石粉厂

4、，400目碳酸钙，涟源市碳酸钙厂，400目1.3 共混物的制备先对经干燥的填充无机粉料在搅拌机中进行表面活化处理，采用的活化剂为焦磷酸酯型钛酸酯偶联剂，加入量为粉料的1，同时加入少许白油（液体石蜡）以增加分散性，活化处理的目的在于增加无机粉料与树脂之间的溶混性。再将参与共混改性的材料组分90下在热风循环干燥箱中干燥5小时，后将各组分按配方称好，在58双螺杆挤出机上挤出造粒，加工温度210 ，螺杆转速140 rad/min.1.4 力学性能检测将共混物粒料干燥后注塑成标准样条，在INSTRAN 8501型材料试验机上测定材料拉伸性能，拉伸速度为50 mm/min；在XJ-50型简支梁冲击试验机上

5、测定材料冲击性能。2 实验结果及讨论2.1 填料种类对材料力学性能的影响通过实验确定滑石粉（主要成份为硅酸镁）和碳酸钙粉料对材料性能的影响，参考实际生产中常用的填充比例，选择实验材料的重量配比为：40共聚型聚丙烯+10EPDM+（50-X）均聚型聚丙烯+X填料其中X为030的变数。由图1（a）、(b)、(c)，滑石粉有一定的增强效果，但用量超过25时拉伸强度呈下降趋势，碳酸钙加入对拉伸强度则无明显影响。材料的塑性指标（断裂伸长率）及韧性指标（缺口冲击强度）随填充量的增加而下降，但碳酸钙明显好于滑石粉。这是由于呈片状的滑石粉与粒状的碳酸钙相比具有更大的比表面积，从而可产生一定的增强效果，同时无机

6、填料在树脂基体内形成缺陷，片状颗粒比粒状颗粒产生更大的应力集中程度，因此滑石粉填充体系对材料断裂伸长率及缺口冲击强度的损失大于碳酸钙填充体系。图1 填料种类及含量对力学性能的影响 -碳酸钙，-滑石粉2.2 不同弹性体对材料力学性能的影响POE为乙烯与辛烯的无规共聚物；EPDM为含二烯类第三单体的乙烯、丙烯无规共聚物；EPR为乙烯、丙烯两组份无规共聚物，它们与聚丙烯具有相同或相似组份，与聚丙烯部分相溶，可在共混改性中作为聚丙烯材料的增韧剂，参考实际生产中常用的加入量，选择实验材料的重量配比为：40共聚型聚丙烯+15滑石粉+（45-Y）均聚型聚丙烯+Y弹性体其中Y为0-30的变数。图2 弹性体种类

7、及含量对力学性能的影响 -EPDM -POE -EPR不同组份配比的力学性能实验结果如图2（a）、(b)、(c)所示，随加入弹性体比例的增大使材料断裂伸长率及缺口冲击强度大幅提高，但导致材料较大的拉伸强度损失，其中POE的增韧效果最佳，EPDM的强度保持率最高。由于POE分子链的侧基密度较EPDM和EPR低，因此具有更好的加工流动性和分散性，提高了增韧效果，而EPDM则具有更高的弹性模量，因此加入增韧时可产生更小的强度损失。2.3 共聚型聚丙烯含量对材料力学性能的影响参考实际生产中常用的加入量，选择实验材料的重量配比为：20碳酸钙+10EPDM+（70-Z）均聚型聚丙烯+Z共聚型聚丙烯其中Z为

8、0-50的变数。图3 共聚型聚丙烯含量对材料力学性能的影响力学性能实验结果如图3（a）、(b)、(c)所示，共聚型聚丙烯为丙烯与少量乙烯的嵌段共聚物，由于乙烯成份的存在对聚丙烯的结晶过程起阻碍作用，减低了材料的结晶度及结晶完整性，分子链段的运动能力增强，即使材料的塑性和韧性提高而强度下降，另一方面，结晶能力的下降降低了基体材料结晶时对其它组份的排斥作用，因此提高了聚丙烯与增韧剂的相溶性。体现出随共聚型聚丙烯含量的增加，材料断裂伸长率及缺口冲击强度显著提高及拉伸强度的明显下降。2.4 加入高密度聚乙烯（HDPE）对材料力学性能的影响高密度聚乙烯与共聚型聚丙烯及所采用的弹性体具有相同组份，具有一定

9、的互溶性，选择实验材料的重量配比为：40共聚型聚丙烯+25碳酸钙+10EPDM+（25-W）均聚型聚丙烯+W高密度聚乙烯其中W为0-20的变数。图4 高密度聚乙烯含量对材料力学性能的影响由图4（a）、(b)、(c)中得出，随高密度聚乙烯（HDPE）加入量的增加，主要能较明显改善材料冲击性能，同时断裂伸长率也有一定提高，拉伸强度略有降低。文献3的研究表明，高密度聚乙烯可插入到聚丙烯晶粒之中，起到分割和细化晶粒的作用，使材料综合性能得到一定提高。2.5 综合性能较好的材料配比从以上几个方面的实验及分析中归纳出两个综合性能较好、成本适中的材料配比，并进行了实验验证，分别对应于对强度和韧性有不同要求的使用场合，结果如表1.表1 推荐的改性材料配比及实验结果组份配比% 性能实验结果3 结 论填充改性中滑石粉的增强效果好于碳酸钙，但碳酸钙具有更高的塑性及韧性保持率；在增韧剂EPDM、POE、EPR的增韧改性中，POE的增韧效果最好，EPDM具有最高的强度保持率；在聚丙烯构成方面，共聚型聚丙烯与均聚型聚丙烯相比，可有效提高材料的