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        POE黏度和含量對PP及其填充體系性能的影響

        2020-10-16 08:28:34李偉陳嘉杰胡佳旭賴昂雷亮吳國峰俞飛楊波羅忠富
        工程塑料應(yīng)用 2020年10期
        關(guān)鍵詞:改性體系

        李偉,陳嘉杰,胡佳旭,賴昂,雷亮,吳國峰,俞飛,楊波,羅忠富

        (金發(fā)科技股份有限公司企業(yè)技術(shù)中心,塑料改性與加工國家工程實(shí)驗(yàn)室,廣州 510663)

        聚丙烯(PP)是商業(yè)化通用塑料中發(fā)展最為迅速的品種之一,其具有較好的綜合性能,在家電、汽車以及包裝等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。其中,在對塑料有耐熱性、光澤度和一定硬度要求的家電領(lǐng)域,高光澤PP獲得了廣泛應(yīng)用。高光澤PP主要通過在PP中加入無機(jī)填料和成核劑進(jìn)行改性而成,成核劑可提高PP樹脂的結(jié)晶度,從而提高產(chǎn)品的光澤度,目前國內(nèi)有很多學(xué)者在高光澤PP方面做了大量的工作[1-8]。但是,與家電用PP材料相比,汽車內(nèi)飾件對PP材料性能的要求反而是低光澤、低硬度,這是因?yàn)镻P材料的光澤度和硬度太高會導(dǎo)致汽車內(nèi)飾件的塑料感太強(qiáng),從而影響用戶的感官體驗(yàn),同時若內(nèi)飾件的摩擦系數(shù)太高,用戶接觸內(nèi)飾件時會感受到一定的摩擦阻力,這也會影響用戶的感官評價。因此為了提高用戶對汽車內(nèi)飾件的滿意度,研究開發(fā)低光澤、低硬度以及低摩擦系數(shù)的PP材料具有重要意義。國內(nèi)有很多學(xué)者在低光澤PP上也做了大量的工作[9-12],這些降低材料光澤度的方法為后續(xù)開發(fā)低光澤、低硬度、低摩擦系數(shù)的PP材料奠定了基礎(chǔ)。

        一般情況下,汽車用PP材料中都會加入一定含量的乙烯-辛烯共聚物(POE)用于增韌,POE對于降低材料的硬度是有益的,但是POE含量過高時會導(dǎo)致材料表層橡膠相含量較高,從而使表面摩擦系數(shù)提高,同時,POE含量的差異會導(dǎo)致橡膠相分散形態(tài)的差異,進(jìn)而導(dǎo)致材料光澤度發(fā)生變化。此外,POE的黏度對材料的光澤度、摩擦系數(shù)和硬度也會產(chǎn)生不同的影響,因此選擇合適的POE黏度以及優(yōu)化POE含量十分重要。為此,筆者選擇在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用范圍較廣的無填充和滑石粉填充PP體系,研究了POE含量及其黏度對這兩種體系基本性能、光澤度、摩擦系數(shù)以及硬度的影響,為低光澤、低硬度以及低摩擦系數(shù)的PP材料的制備和應(yīng)用提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        PP:熔體流動速率(MFR) 100 g/10 min,韓國SK公司;

        高黏度POE (HPOE):MFR 0.5 g/10 min,美國陶氏化學(xué)公司;

        中黏度POE (MPOE):MFR 5.0 g/10 min,美國陶氏化學(xué)公司;

        低黏度POE (LPOE):MFR 13.0 g/10 min,美國陶氏化學(xué)公司;

        滑石粉:3 000目(粒徑約5 μm),遼寧海城添源化工有限公司;

        硬脂酸鹽潤滑劑:中山華明泰化工股份有限公司;

        黑色母粒:2772,美國卡博特公司;

        抗氧劑1010,168:山東省臨沂市三豐化工有限公司。

        1.2 主要儀器與設(shè)備

        雙螺桿擠出機(jī):TST30型,科倍隆(南京)機(jī)械有限公司;

        注塑機(jī):EM80-V型,震德注塑機(jī)有限公司;

        MFR測試儀:BMF-003型,德國Zwick公司;

        萬能材料試驗(yàn)儀:Z020型,德國Zwick公司;

        數(shù)字顯示沖擊儀:HIT5.5P型,德國Zwick公司;

        光澤度儀:1147104型,德國BYK公司;

        摩擦系數(shù)儀:Roell T0.5型,德國Zwick公司;

        D型邵氏硬度計(jì):LX-D型,上海六菱儀器廠;

        掃描透射電子顯微鏡(STEM):SU8010型,日本日立公司。

        1.3 試樣制備

        (1)配方設(shè)計(jì)。

        無填充PP和滑石粉填充PP體系中,三種黏度的POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)定為15%,20%,25%,30%和35%,潤滑劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%,抗氧劑1010和抗氧劑168的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%,黑色母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%?;厶畛銹P體系中,滑石粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為20%。

        (2)擠出造粒與注塑。

        按照上述配方將各原料混勻后在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒,擠出溫度設(shè)定為230℃,螺桿轉(zhuǎn)速設(shè)定為600 r/min,喂料速度設(shè)定為30 kg/h。將擠出制備的粒料加入注塑機(jī)中,注塑成ISO標(biāo)準(zhǔn)試樣、皮紋板、厚度為2 mm的方板,注塑溫度設(shè)定為200℃,注塑壓力設(shè)定為40~45 MPa,注塑速度設(shè)定為40%~45%,保壓時間設(shè)定為15~20 s,冷卻時間設(shè)定為15~20 s。

        1.4 測試與表征

        (1)基本性能測試。

        MFR按ISO 1133-1-2011測試,測試條件為2.16 kg,230℃;拉伸性能按ISO 527-1/2-2012測試,拉伸速率50 mm/min;彎曲性能按ISO 178-2019測試,加載速率2 mm/min;懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按ISO 180-2013測試。

        (2)光澤度測試。

        采用光澤度儀在60°下對皮紋板進(jìn)行光澤度測試,選擇Stucco皮紋面。

        (3)摩擦系數(shù)測試。

        采用摩擦系數(shù)儀對厚度為2 mm的方板進(jìn)行摩擦系數(shù)測試,砝碼質(zhì)量為200 g,為了平行對比,選擇測試白紙和方板之間的摩擦系數(shù),每組測試完后更換白紙。

        (4)硬度測試。

        采用D型邵氏硬度計(jì)對厚度2 mm的方板進(jìn)行硬度測試,為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,將3片方板疊加后進(jìn)行測試。

        (5)微觀形貌觀察。

        采用STEM觀察彎曲性能測試用試樣的表面形貌;將彎曲性能測試用試樣冷凍超薄切片,并用四氧化釕將橡膠相染成黑色,然后采用STEM觀察皮層部分的橡膠相形態(tài)和分散情況。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 基本性能分析

        不同POE含量和黏度下無填充PP和滑石粉填充PP體系的MFR及力學(xué)性能如圖1~圖4所示。

        圖1 不同POE含量和黏度下兩種體系的MFR

        從圖1~圖4可以看出,無論是無填充體系還是滑石粉填充體系,隨著POE含量增加,MFR、彎曲彈性模量和拉伸強(qiáng)度下降,缺口沖擊強(qiáng)度上升,符合彈性體增韌PP的一般規(guī)律。另外,POE黏度越大,MFR越低,但對拉伸強(qiáng)度和彎曲彈性模量的影響程度較小。此外,當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于25%時,對于無填充體系,POE黏度對缺口沖擊強(qiáng)度的影響較??;而對于滑石粉填充體系,POE黏度越大,缺口沖擊強(qiáng)度越??;當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%后,兩種體系下POE黏度對缺口沖擊強(qiáng)度的影響相同,缺口沖擊強(qiáng)度均隨著POE黏度的增加先降低后升高,POE黏度最高的沖擊性能也最高。這可能是因?yàn)椴牧系臎_擊性能受POE黏度和POE分散性兩方面因素的共同影響。當(dāng)POE含量較低時,POE的分散性為主要因素,POE黏度增大,即POE分子量變大,由此會導(dǎo)致POE的分散性變差;當(dāng)POE含量增加到一定程度時,橡膠相的分散已不再成為影響材料沖擊性能的主要因素,而POE的分子量直接影響材料的沖擊性能,故POE黏度最高的材料沖擊性能也最好。對于滑石粉填充體系,由于滑石粉有助于橡膠相的分散,其整體沖擊性能要高于無填充體系。

        圖2 不同POE含量和黏度下兩種體系的彎曲彈性模量

        圖3 不同POE含量和黏度下兩種體系的拉伸強(qiáng)度

        圖4 不同POE含量和黏度下兩種體系的缺口沖擊強(qiáng)度

        2.2 光澤度分析

        圖5 不同POE含量和黏度下兩種體系的光澤度

        不同POE含量和黏度下無填充PP和滑石粉填充PP體系的光澤度如圖5所示。從圖5可以看出,無論填充與否,POE黏度越低,總體上材料光澤度越大。但是不同POE黏度的體系其光澤度隨著POE含量的增加表現(xiàn)的趨勢不同。對于無填充體系,HPOE改性PP的光澤度隨著POE含量的增加(高結(jié)晶PP的含量降低)而降低,這可能是因?yàn)镻OE黏度高,材料中橡膠相/樹脂相黏度比增加,材料中的橡膠相在高POE含量下不易被拉伸發(fā)生變形,故光澤度有所降低;MPOE改性PP的光澤度隨著POE含量增加先降低而后明顯升高,這可能是因?yàn)楫?dāng)POE含量增加到一定程度時,其橡膠相被顯著拉伸,造成材料的光澤度顯著提高;LPOE改性PP的光澤度隨著POE含量增加而升高,這可能是因?yàn)椴牧现邢鹉z相/樹脂相黏度比相對最低,橡膠相被顯著拉伸,且POE含量增加,被拉伸的橡膠相互貫通連接,造成材料的光澤度提高。對于滑石粉填充體系,由于填料的加入促進(jìn)了橡膠相的分散,橡膠相易被拉伸,與無填充體系不同,不同黏度POE改性PP的光澤度均隨著POE含量的增加表現(xiàn)出升高的趨勢,其中HPOE改性PP的光澤度明顯低于其它兩種黏度的POE改性PP。

        2.3 摩擦系數(shù)分析

        不同POE含量和黏度下無填充PP和滑石粉填充PP體系的摩擦系數(shù)如圖6所示。由圖6可以看出,POE黏度對材料的摩擦系數(shù)也有一定程度的影響,無論填充與否,POE黏度降低,材料摩擦系數(shù)總體上提高,主要原因是POE黏度降低,材料表層的橡膠相含量就會增大,一般情況下會導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大。此外,如圖6所示,無論填充與否,不同POE黏度體系的摩擦系數(shù)均隨著POE含量的增加表現(xiàn)出增加的趨勢,尤其對于無填充體系,可以看出,隨POE含量增加,中低POE黏度體系的摩擦系數(shù)升高趨勢更為明顯,這也表明PP材料中橡膠相含量是影響材料摩擦系數(shù)的一個重要因素,橡膠相含量越高,材料摩擦系數(shù)越大。

        圖6 不同POE含量和黏度下兩種體系的摩擦系數(shù)

        2.4 硬度分析

        不同POE含量和黏度下無填充PP和滑石粉填充PP體系的硬度如圖7所示。一般情況下,POE含量越高,其改性的PP材料表層橡膠相含量相對較高,導(dǎo)致材料表面硬度相對較低。由圖7可以看出,無論填充與否,不同POE黏度體系的硬度均隨著POE含量的增加而明顯下降。另外,無論填充與否,POE黏度越大,表層橡膠相含量越低,材料表面硬度總體上越大。對于無填充體系,可以看出,隨POE含量增加,中低POE黏度體系的硬度下降趨勢更為明顯。

        圖7 不同POE含量和黏度下兩種體系的邵氏D硬度

        2.5 微觀形貌分析

        由圖5~圖7可知,滑石粉填充體系的光澤度,摩擦系數(shù)以及硬度隨POE黏度及含量的變化趨勢較為規(guī)律,但無填充體系中,光澤度隨POE黏度和含量的變化趨勢有所不同,且中低黏度POE體系的摩擦系數(shù)和硬度隨POE含量增加而下降的幅度較為明顯,為此選取無填充體系進(jìn)行了表面形貌的表征,結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,對于高POE黏度無填充體系(HPOE改性PP),隨著POE含量增加,其表面變得粗糙,考慮到光射到粗糙表面會加劇漫反射,而漫反射會降低光澤度,同時表面粗糙會使表面摩擦系數(shù)提高,因此這與實(shí)際的光澤度和摩擦系數(shù)測試結(jié)果相符合。另一方面,對于低POE黏度無填充體系(LPOE改性PP)來說,隨著POE含量增加,其表面變得光滑,這有利于光澤度的提高,與實(shí)際的光澤度測試結(jié)果相符合;但表面變得光滑反而使材料的摩擦系數(shù)增加明顯,推測可能的原因是表層橡膠相含量也是影響摩擦系數(shù)的關(guān)鍵因素。

        圖8 無填充體系下不同含量HPOE及LPOE改性PP的表面形貌

        圖9為無填充體系下不同含量HPOE和LPOE改性PP的皮層形貌。在采用STEM表征前,采用四氧化釕染色,橡膠相會被染成黑色,PP基體不會被染色而成灰色。如圖9所示,對于高POE黏度無填充體系(HPOE改性PP),由于體系橡膠相/樹脂相黏度比大,使得橡膠相越不易分散,從而變形程度降低。隨著POE含量增加,皮層橡膠相數(shù)量和粒徑都同時增大。橡膠相數(shù)量增加對降低表面硬度是有利的,但是會導(dǎo)致表面摩擦系數(shù)提高;橡膠相粒徑增加會導(dǎo)致表面粗糙,進(jìn)而降低光澤度,同時粗糙的表面也會提高表面摩擦系數(shù)。另一方面,對于低POE黏度無填充體系(LPOE改性PP),由于體系橡膠相/樹脂相黏度比小,皮層的橡膠相被剪切拉伸得更加嚴(yán)重,隨著POE含量的增加,被拉伸的橡膠相相互貫通連接,如圖9e所示;當(dāng)POE含量增加到一定量時,整個皮層橡膠相全部以長條狀形態(tài)分布,如圖9f所示,造成材料的光澤度顯著提高,且整個皮層變厚,皮層橡膠相含量顯著增加,導(dǎo)致LPOE改性PP硬度隨POE含量增加而下降的趨勢比HPOE改性PP更加明顯,同時摩擦系數(shù)也隨POE含量的增加而迅速增加。

        圖9 無填充體系下不同含量HPOE及LPOE改性PP的皮層形貌

        3 結(jié)論

        (1)隨POE黏度升高,兩種體系的MFR均下降,但彎曲彈性模量和拉伸強(qiáng)度變化不大。

        (2)當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于25%時,POE黏度對無填充體系的缺口沖擊強(qiáng)度影響較小,填充體系的缺口沖擊強(qiáng)度隨POE黏度增大而降低;當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%后,POE黏度對兩種體系的沖擊強(qiáng)度影響趨勢相同,POE黏度最高的體系缺口沖擊強(qiáng)度也最高。

        (3)對于填充體系,隨POE含量增加和黏度降低,光澤度和摩擦系數(shù)升高,硬度降低。

        (4)對于無填充體系,摩擦系數(shù)和硬度隨POE含量和黏度變化的趨勢總體上與填充體系基本相同,但高黏度POE改性PP的光澤度隨POE含量增加而降低,低黏度POE改性PP的光澤度隨POE含量增加而升高,且隨POE含量增加,相對于高黏度POE改性PP,其硬度下降更明顯,摩擦系數(shù)增加更顯著。

        (5)如果通過增加POE的含量來實(shí)現(xiàn)PP及其填充體系的低硬度,為了保證材料的低光澤度和低摩擦系數(shù),通常需要選擇黏度較高的POE對PP及其填充體系進(jìn)行增韌。

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