周耀文，秦增增，姚 利

(天津長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

普通塑料的使用帶來了環(huán)境問題，生物可降解塑料正成為解決污染的理想途徑，其可通過自然界中微生物的生物代謝過程而降解成為水、二氧化碳和其他對(duì)環(huán)境無污染的小分子物質(zhì)。其中PBAT(對(duì)苯二甲酸、己二酸和丁二醇三種單體縮聚制得，下同)是新型的生物可降解塑料，有很好的韌性能和成膜性，但其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，同時(shí)其價(jià)格很高，限制了其應(yīng)用[1]。因此需利用改性方法對(duì)PBAT進(jìn)行改性研究，降低成本同時(shí)提高綜合性能拓寬應(yīng)用范疇。

價(jià)格便宜的碳酸鈣可以用來填充改性PBAT降低成本，但是作為無機(jī)填料，其與PBAT的相容性較差，通過添加助劑可以改善碳酸鈣在基體中的分散性能，提高與基體的結(jié)合能力。在保證復(fù)合材料力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，降低復(fù)合材料的成本[2-3]。

文章采用CaCO3與PBAT共混制備PBAT/CaCO3復(fù)合材料，并研究碳酸鈣、潤(rùn)滑劑、擴(kuò)鏈劑不同添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

原料。PBAT，康輝新材料科技有限公司；重質(zhì)碳酸鈣6.5 μm，江西奧特科技有限公司；其他助劑。

設(shè)備。TE-35同向雙螺桿擠出機(jī)(南京歐立)；SA600注塑機(jī)(海天)；真空干燥箱；萬能試驗(yàn)機(jī)；缺口制樣機(jī)；簡(jiǎn)支梁試驗(yàn)機(jī)。

1.2 理論依據(jù)

文章中選擇常見碳酸鈣使用6.5 μm的重質(zhì)碳酸鈣作為填充物質(zhì)，改變碳酸鈣添充量，潤(rùn)滑劑添加量，擴(kuò)鏈劑添加量，查看產(chǎn)品性能變化，結(jié)合成本及產(chǎn)品性能，查看產(chǎn)品性能變化，選出合適碳酸鈣填充量、潤(rùn)滑劑添加量、擴(kuò)鏈劑添加量。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方(表1、表2、表3)

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)造粒。利用35試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)表1、表2、表3中配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打樣造粒，實(shí)驗(yàn)過程中要求工藝穩(wěn)定，按照表4工藝條件進(jìn)行。

表1 碳酸鈣對(duì)產(chǎn)品性能的影響配方Tab.1 Influence of CaCO3 on product performance %

表2 潤(rùn)滑劑對(duì)產(chǎn)品性能影響的配方Tab.2 Formulation of lubricant affecting product performance %

表3 擴(kuò)鏈劑對(duì)產(chǎn)品性能影響的配方Tab.3 Formula of chain extender affecting product performance %

表4 雙螺桿擠出工藝條件Tab.4 Twin screw extrusion process conditions

(2)注塑。造粒產(chǎn)品在做物理性能測(cè)試之前，需在真空干燥箱中烘烤6 h，溫度60 ℃。注塑制備拉伸樣條和沖擊樣條。用海天塑機(jī)SA600注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)樣條，注塑條件如表5。對(duì)注塑機(jī)制備的樣條進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法和國標(biāo)依據(jù)如表6。

表5 用注塑機(jī)注塑條件Tab.5 Injection molding conditions with injection molding machine

表6 樣條的檢測(cè)方法和依據(jù)Tab.6 Detection method and basis of spline

2 結(jié)果與討論

2.1 CaCO3填充量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

在其他助劑種類及添加量不變的情況下，改變CaCO3填充量，查看產(chǎn)品力學(xué)性能的變化，CaCO3不同填充量改性PBAT產(chǎn)品性能見圖1、圖2。

圖1 不同CaCO3填充量對(duì)產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of different CaCO3 filling amount on tensile strength and bending strength of products

從圖1看出，隨著CaCO3含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯變化，拉伸強(qiáng)度先增大后減??；彎曲強(qiáng)度隨著CaCO3含量增加而增大；從圖2看出，簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度和簡(jiǎn)支梁非缺口沖擊強(qiáng)度，隨著CaCO3含量增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；這是由于在共混體系中，少量CaCO3由于粒徑小，活化能高，加入后能增大PBAT的拉伸強(qiáng)度，隨著填充量的增加，由于CaCO3與PBAT相容性不好，同時(shí)高含量CaCO3會(huì)造成分散不均勻，團(tuán)狀分布，導(dǎo)致力學(xué)性能下降；沖擊強(qiáng)度下降后升高，表明碳酸鈣含量增加，抗沖擊能力會(huì)增大。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及下游客戶需求，選定CaCO3填充量為30%，不僅保持了復(fù)合材料的性能，還可以降低材料的成本。

圖2 不同填充量對(duì)產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of different filling amount on impact strength of products

2.2 潤(rùn)滑劑添加量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

由于CaCO3填充量30%時(shí)，由于含量高，會(huì)導(dǎo)致分散不好，發(fā)生團(tuán)聚行為，需要添加潤(rùn)滑劑來進(jìn)一步改善力學(xué)性能；在其他物質(zhì)確定的情況下，改變潤(rùn)滑劑用量，查看產(chǎn)品的性能變化。潤(rùn)滑劑添加量對(duì)產(chǎn)品性能的影響見圖3、圖4。

圖3 潤(rùn)滑劑不同添加量對(duì)產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of lubricant addition on tensile strength and bending strength of products

圖4 潤(rùn)滑劑不同添加量對(duì)產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of lubricant addition on impact strength of products

從圖3、圖4看出，隨著潤(rùn)滑劑用量的增加，產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度增大，彎曲強(qiáng)度變化不大，沖擊強(qiáng)度減小。所用潤(rùn)滑劑分子結(jié)構(gòu)中間是極性雙酰胺基，兩端為非極性基團(tuán)，對(duì)CaCO3有潤(rùn)濕和分散作用，對(duì)拉伸強(qiáng)度有一定的提高作用。從物理性能變化同時(shí)考慮加工成本，選擇潤(rùn)滑劑用量為0.4%。

2.3 擴(kuò)鏈劑添加量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

PBAT在加工應(yīng)用中，可能會(huì)出現(xiàn)與CaCO3相容性不佳以及加工性能差的問題，可加入少量擴(kuò)鏈劑進(jìn)行改善；在PBAT切片、CaCO3、其他助劑種類及添加量確定的情況下，改變擴(kuò)鏈劑添加量，查看產(chǎn)品力學(xué)性能的變化，擴(kuò)鏈劑對(duì)產(chǎn)品性能的影響見圖5、圖6。

從圖5、圖6看出，擴(kuò)鏈劑加入提高制品的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度，同時(shí)提高其抗沖擊性能，這是因?yàn)閿U(kuò)鏈劑中多環(huán)氧基團(tuán)存在，與PBAT的端羥基和端羧基反應(yīng)，使CaCO3和PBAT基體間形成良好的界面粘結(jié)，通過兩相界面層的過渡層可以承受外力，從而使材料的力學(xué)性能增大；但同時(shí)擴(kuò)鏈劑的加入造成熔指大幅度降低，熔體強(qiáng)度增大，對(duì)下游吹膜客戶使用造成影響。加入擴(kuò)鏈劑后，可加工性變差，進(jìn)料量低，熔壓高，電流高。過多的擴(kuò)鏈劑會(huì)造成PBAT樹脂基體發(fā)生部分交聯(lián)，限制了分子鏈的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)擴(kuò)鏈劑價(jià)格高，從性價(jià)比方面看，使用擴(kuò)鏈劑會(huì)使制品成本大幅提高。綜合性能，擴(kuò)鏈劑添加量選為0.2%。

圖5 擴(kuò)鏈劑不同添加量對(duì)產(chǎn)品拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different addition amount of chain extender on tensile strength and bending strength of products

圖6 擴(kuò)鏈劑不同添加量對(duì)產(chǎn)品沖擊強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of different addition amount of chain extender on impact strength of products

4 結(jié)論

通過在雙螺桿擠出機(jī)中將CaCO3、PBAT和助劑共混制得共混體系，CaCO3填充量為30%時(shí)，共混材料在降低成本的同時(shí)保持較佳力學(xué)性能；潤(rùn)滑劑添加量在0.4%，擴(kuò)鏈劑添加量為0.2%時(shí)，制品有較優(yōu)的力學(xué)性能，同時(shí)兼具較高性價(jià)比。