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        納米聚丙烯材料的研制

        2016-12-27 03:48:02鄭夏蓮陳輝馬元好
        關(guān)鍵詞:雙螺桿增韌碳酸鈣

        鄭夏蓮,陳輝,馬元好

        (1.宜春學院物理科學與技術(shù)工程學院,江西宜春,336000;2.南昌大學理學院,江西南昌,330031)

        納米聚丙烯材料的研制

        鄭夏蓮1,陳輝2,馬元好1

        (1.宜春學院物理科學與技術(shù)工程學院,江西宜春,336000;2.南昌大學理學院,江西南昌,330031)

        研究無機納米碳酸鈣表面處理復合技術(shù),通過對納米碳酸鈣的包覆,解決了納米材料的團聚問題,以此制備出一種高性能、高流動、高耐溫、使用范圍更廣泛的聚丙烯復合材料。結(jié)果表明,均聚聚丙烯:20 000目碳酸鈣的EPDM比例為78:20:2的復合材料的性能最佳,其值為MFR值為13.210 g.(10 m in)-1,拉伸強度為27.08 MPa,彎曲強度為37.03 MPa,沖擊強度為2.85 ft-lb/in。

        聚丙烯;納米;復合材料

        引言

        中國高端聚丙烯改性產(chǎn)品產(chǎn)量非常小,國內(nèi)的高端聚丙烯專用料幾乎全部依賴進口,因此自主開發(fā)性能優(yōu)良的碳酸鈣/聚丙烯復合材料有著重要的現(xiàn)實意義。這種新材料具有可替代國外先進產(chǎn)品的特點,成本低廉,交運快捷,同時在通用塑料工程化領(lǐng)域做出重要貢獻。

        聚丙烯(PP)分子呈線性結(jié)構(gòu),密度為0.89~0.91 g/cm3,是所有塑料中最輕的一種。因為PP具有拉伸強度高、相對硬度高、透明性好、比重小、抗應(yīng)力開裂和耐化學腐蝕好、耐熱撓曲溫度高、并具有很好的成型性能、能夠隨意定向和拉伸、可以與其它材料共混改性等優(yōu)點??墒蔷郾┓肿訕O性較小,結(jié)晶化程度高,其拉伸強度和沖擊強度較低,剛性不足,韌性較差,耐溫性不足,成型收縮率大,很大程度上限制其使用范圍[1~3]。但是納米材料能很好地解決其大多數(shù)問題,納米粒子表面活性中心多,可以和基體緊密結(jié)合,相容性比較好[4~6]。當受到外力,粒子與基體連接比較緊密,而且因為應(yīng)力場的作用,在基體內(nèi)部會產(chǎn)生變,導致其吸收很多的能量。使得其能更好的傳遞所承受的外應(yīng)力,又能引發(fā)基體內(nèi)部產(chǎn)生彎曲,消耗掉了很多的沖擊能,從而達到同時增韌和增強的作用。且碳酸鈣主要用于PVC、PP、PE,提高材料的力學性能、耐磨性、耐熱性,同時能大大地降低成本。

        本文通過研究無機納米碳酸鈣復合技術(shù),在聚丙烯為基體的材料中加入納米級碳酸鈣顆粒,另配合添加增容劑,以此制備出一種高性能,高流動,高耐溫,使用范圍更廣泛的聚丙烯復合材料。其原理就是運用納米技術(shù)將碳酸鈣處理成納米級顆粒然后嵌入到基體聚丙烯上。具體是將納米碳酸鈣、成核劑、抗氧劑、偶聯(lián)劑及潤滑劑按一定的分量、順序加入高速攪拌機中(溫度為80~110℃)中并攪拌混合均勻,經(jīng)雙螺桿擠出機擠出造粒。所制得的專用材料按一定比例添加到PP中進行加工實驗。

        1 實驗部分

        1.1 原材料

        PP:廣東茂名石化股份有限公司。

        納米碳酸鈣:粒徑20nm。

        重質(zhì)碳酸鈣:粒徑2000目。

        三元乙丙橡膠(EPDM):上海巖中實業(yè)有限公司。

        丙酮:上海國藥集團。

        抗氧劑:1010、168,瑞士汽巴公司。

        偶聯(lián)劑:KH560,南京曙光化工總廠。

        成核劑:自制。

        1.2 主要儀器

        雙螺桿擠出機:65D型,南京創(chuàng)博機械設(shè)備有限公司。

        注塑機:伊芝密200型,廣州伊芝密股份有限公司。

        懸臂梁沖擊試驗機:RXJ-5.5型,深圳瑞格爾儀器有限公司。

        熔體流動速率(MFR)儀:深圳三思縱橫科技有限公司。

        萬能材料試驗機:深圳三思縱橫科技有限公司。

        真空干燥箱:臺達塑料成型科技有限公司。

        1.3 試樣制備

        先將納米碳酸鈣加入到高速混合機中進行高混3~5 min,高混溫度在80~110℃;然后將偶聯(lián)劑、抗氧劑、潤滑劑以及一定量的EPDM加入到已混好納米碳酸鈣的高速混合機中,高混3~10min,高混溫度控制在80~110℃;接著將PP和成核劑加入其中,同樣高混3~5min,高混溫度控制在80~110℃;然后將混合后的原料置于雙螺桿擠出機中進行熔融擠出風干造粒,所用的雙螺桿擠出機螺筒各分區(qū)溫度應(yīng)保持在190~210℃,螺桿轉(zhuǎn)速為20~30 r/min,且雙螺桿最后的導出部一定是真空的(避免在粒子成型過程中受到空氣中各種雜質(zhì)的影響而導致粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻)且在雙螺桿的設(shè)計上要多加幾個剪切部使其充分融合;將擠出材料經(jīng)過水槽的的循環(huán)水冷卻后通過風干機進行風干、切成造粒,切好的造粒會自動運轉(zhuǎn)到篩選機上(較小的顆粒會自動回收到攪拌機中,而較大的顆粒則需要手動挑選出來),最后將成品送入除濕干燥機中再次進行干燥后真空包裝成成品。本實驗配方比例PP、碳酸鈣的EPDM的質(zhì)量的比為78∶20∶2。試樣制備流程見圖1所示。

        圖1 制備流程圖

        1.4 性能測試

        拉伸強度按ASTMD-638測試,拉伸速度為5mm/min;

        彎曲強度按ASTMD-790測試,彎曲速度為2 mm/min;

        缺口沖擊強度按ASTMD-256測試;

        熔體流動速率按ASTMD-1238測試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 碳酸鈣的粒徑對復合材料性能的影響

        表1 碳酸鈣的粒徑對復合材料性能的影響

        表1示出碳酸鈣的粒徑對復合材料性能的影響。從表2可以看出,相比于加2 000目的碳酸鈣的PP復合材料來說,加入10 000目和20 000目的納米碳酸鈣的PP復合材料的熔體流動速率值、拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度明顯都要大。這是由于納米粒子表面活性中心多,可以和基體緊密結(jié)合,相容性比較好。當受到外力,粒子與基體連接比較緊密,而且因為應(yīng)力場的作用,在基體內(nèi)部會產(chǎn)生變,導致其吸收很多的能量。使得其能更好地傳遞所承受的外應(yīng)力,又能引發(fā)基體內(nèi)部產(chǎn)生彎曲,消耗掉了很多的沖擊能,從而達到同時增韌和增強的作用;而納米顆粒的粒徑越小,銀紋效應(yīng)越強[7]。

        2.2 碳酸鈣的處理方式對復合材料性能的影響

        表2 碳酸鈣的處理方式對復合材料性能的影響

        表2示出碳酸鈣的處理方式對復合材料性能的影響。未處理的是碳酸鈣與PP高速攪拌、雙螺桿擠出即得;處理是納米碳酸鈣、EPDM、一定量的丙酮在高速混合機混合攪拌形成乳狀液,然后在加入PP、抗氧劑后攪拌均勻,雙螺桿擠出。從表2可以看出,碳酸鈣經(jīng)過處理的PP復合材料的熔體流動速率值、拉伸強度、彎曲強度及沖擊強度明顯高于碳酸鈣未經(jīng)處理的PP復合材料。這是由于EPDM對極性溶液和化學物具有抗性,吸水率低,具有良好的絕緣特性,所以當其與納米碳酸鈣顆?;旌现髸谄鸨砻嫘纬梢环N保護膜,導致在混合過程中顆粒之間不會產(chǎn)生團聚(因為顆粒之間并不會直接接觸)。用這一方法能最大程度緩解納米顆粒的團聚問題[8]。本研究正是利用橡膠形成乳液解決了納米碳酸鈣的團聚問題,使納米碳酸鈣在未經(jīng)雙螺桿剪切之前顆粒被EPDM分散包覆使之不易團聚。

        2.3 PP種類對復合材料性能的影響

        表3 PP種類對復合材料性能的影響

        表3示出PP種類對復合材料性能的影響。從表3可以看出,這種處理方式對均聚PP和共聚PP都有一定的效果,但是均聚PP的效果更明顯優(yōu)于共聚PP。本處理方式中運用了EPDM,它本身具有增韌效果,加入到均聚PP,增韌效果較明顯;共聚PP中含有嵌段乙烯,加入碳酸鈣后,阻礙了嵌段的增韌效果,因此納米碳酸鈣對共聚PP的增強增韌效果不明顯。

        3 結(jié)論

        1)碳酸鈣粒徑越小,對PP的增強增韌效果越大;碳酸鈣粒徑越大,對PP的熔融指數(shù)影響越大。

        2)對納米碳酸鈣的處理方式?jīng)Q定了能否發(fā)揮納米碳酸鈣的納米效果。

        3)在均聚PP中加入處理的納米碳酸鈣性能最佳:其熔體流動速率值為13.210 g.(10min)-1,拉伸強度為27.08 MPa,彎曲強度為37.03 MPa,沖擊強度為2.85 ft-lb/in。

        [1]趙敏.改性聚丙烯新材料[D].北京:化學工業(yè)出版,2010.

        [2]王玨.塑料改性實用技術(shù)與應(yīng)用[D].北京:中國輕工業(yè)出版社, 2010.

        [3]蔡玉壁.丁二烯和苯乙烯共聚物橡膠在塑料增韌方面的應(yīng)用[J].彈性體,2003,13(5):50-45.

        [4]陳敬中,劉劍洪.納米科學材料導論[D].北京:高等教育出版社, 2006.

        [5]尹華,張師軍,張薇,等.熱塑性聚酯工程塑料的進展[J].合成樹脂及塑料,2002,19(5):65-69.

        [6]張躍飛,戴益民.聚丙烯成核劑[M].北京:化學工業(yè)出版社,2013.

        [7]何海平.現(xiàn)代塑料成型加工新技術(shù)新工藝及質(zhì)量控制全書[M].安徽:安徽文化音像出版社,2004.

        [8]楊明山,李林楷.塑料改性工藝、配方與應(yīng)用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

        (編輯:劉楠)

        Production of Nano PPMaterials

        Zheng Xialian1,Chen Hui2,Ma Yuanhao1
        (1.Physics Science and Engineering Technology Institute,Yichun College,Yichun Jiangxi 336000; 2.School of Science,Nanchang University,Nanchang Jiangxi330031)

        Surface treatment composite technology of the inorganic nano calcium carbonatewas studied.By coated with the nano calcium carbonate,the problem of agglomeration of nano materials was solved,and a kind of high performance,high flow,high temperature resistance,a wider use range of polypropylene composites were prepared.The results show that all polypropylene:calcium carbonate (20000mesh):EPDMratio of 78:20:2 compositematerial performance is best,whcih value ofMFR value is 13.210 g.(10min)-1,the tensile strength is 27.08MPa,flexural strength is 37.03 MPa and impact strength is 2.85 ft-lb/in.

        polypropylene;nano;composite

        TB383

        A

        2095-0748(2016)20-0077-03

        10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.20.34

        2016-09-30

        雙溫電子-塵埃等離子體中塵埃動力學性質(zhì)及其對等離子體波模的影響(No.2015BAB212010),市場化培養(yǎng)物理學專業(yè)應(yīng)用型人才的改革與實踐(No.3320151539)

        鄭夏蓮(1980—),女,江西高安人,博士,講師,從事復合材料的研究。

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