PP/CaCO3/PP－g－AA 復合材料形態與性能研究

朱清梅，李淑華，趙研峰，付 博

（齊齊哈爾大學材料科學與工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006）

PP/CaCO3/PP－g－AA 復合材料形態與性能研究

朱清梅，李淑華，趙研峰，付 博

（齊齊哈爾大學材料科學與工程學院，黑龍江 齊齊哈爾161006）

采用雙螺桿擠出機液體進料熔融接枝制備了丙烯酸接枝聚丙烯（PP－g－AA），研究了聚丙烯（PP）/碳酸鈣（CaCO3）/PP－g－AA復合材料的力學性能，并采用紅外光譜、差示掃描量熱儀、掃描電子顯微鏡等對復合材料進行了表征分析。結果表明，用此PP－g－AA作為PP/CaCO3的相容劑時，能有效提高其力學性能，且當CaCO3的含量為10%（質量分數，下同），接枝率為2.204%的PP－g－AA的含量為10%時，效果最佳。

聚丙烯；丙烯酸接枝聚丙烯；碳酸鈣；進料工藝；接枝率；力學性能

0 前言

PP具有成本低、易加工、化學穩定性良好的優點。近年來PP的應用發展迅速，成為塑料中產量增長較快的品種之一。但PP是非極性物質，與其他極性物質的相容性、染色性、黏結性較差，也存在低溫脆性、力學性能和硬度較低、成型收縮率大、表面能低等缺點，限制了PP的應用。為了提高PP的使用價值，人們對PP進行了大量的研究，接枝改性是使PP功能化、拓寬其應用領域的重要途徑[1－3]。用于接枝PP的小分子單體有很多[4－5]，其中 AA因其反應活性高、毒性較小而得到廣泛的研究和應用。用反應性擠出的方法進行熔融接枝具有設備投資少、工藝操作簡單、產物無需后處理、可實行連續化生產等優點。但接枝率低，一直是人們研究和有待解決的問題[6－7]。本文采用雙螺桿擠出機最佳液體進料工藝得到了接枝率較高的PP－g－AA[8]，并進一步研究了不同含量的 PP－g－AA 對 PP/CaCO3形態和性能的影響[9]。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP，Q/DQHK002－2009，大慶華科股份有限公司；

AA，分析純，天津市福晨化學試劑廠；

過氧化二異丙苯（DCP），化學純，國藥集團化學試劑有限公司；

碳酸鈣，HG/T2226－2000，唐山東順化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

傅里葉紅外光譜儀（FTIR），FT－IR01，美國PE公司；

高速混合機，GRH－10，阜新市熱源設備廠；

電子萬能試驗機，CSS－2200，長春科新公司實驗儀器研究所；

記憶式沖擊試驗機，JJ－20，長春智能儀器設備研究所；

雙螺桿擠出機，TE－34，化學工業部化工機械研究院擠壓機械研究所；

注塑機，FH－100，杭州豐鐵機械有限公司；

動態熱流差示掃描量熱儀（DSC），DSC－204F1，德國Nietzsche公司；

蠕動泵，BT00－100M，保定蘭格恒流泵有限公司；

電熱鼓風干燥箱，101－2A，天津泰斯特儀器有限公司；

電子恒溫水浴鍋，H－1，天津泰斯特儀器有限公司；

電熱真空干燥箱，DZF－6090，上海精密實驗設備有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），S－4300，日本 Hitachi公司。

1.3 樣品制備

PP－g－AA的制備：精確稱取1000g PP，1g DCP，將兩者混合物在高速混合機中混合均勻，準確量取32mL的AA備用，打開雙螺桿擠出機，設定一～六區的溫度分別為150、165、180、180、180、175 ℃，機頭溫度為170℃，雙螺桿擠出機螺桿轉速為80～100r/min，喂料速度 為 25～30r/min，切 料 速 度為300～400r/min；當擠出機溫度達到設定溫度后恒溫0.5h，投料，勻速進料1min后，啟動蠕動泵，調節蠕動泵轉速為8.0r/s，把AA通過液體加料口勻速滴入，擠出結束后，將擠出的產物晾干，一部分切粒，另一部分磨成粉末；

PP－g－AA的純化：取少量樣品粉末用濾紙包好，放到索式提取器中24h脫AA處理，再放入60℃真空干燥箱中干燥至恒重即得到純化樣品，接枝物純化的目的是除去接枝物中殘留的AA單體及少量可能生成的AA均聚物；

復合材料的制備：將 PP、PP－g－AA、CaCO3按一定比例配料并添加少量光穩定劑、熱穩定劑共同加入高速混合機中混勻，按步驟開雙螺桿擠出機，設定一～六區溫度分別為160、175、190、195、190、185 ℃，機頭溫度180℃，當擠出機溫度達到設定溫度后恒溫0.5h，投料，擠出，并將產物置于烘干箱中烘干，切粒待用；按同樣方法制備PP粒料標樣，按PP/CaCO3＝90/10的比例投料；

將以上所得粒料樣品在注射塑機中制得標準樣條，設定注塑機一～三區溫度分別為：190、200、210℃，機頭溫度為215℃，將所得樣品編號，待用。

1.4 性能測試與結構表征

FTIR分析：取經純化處理過的PP－g－AA樣品，在熔融狀態下壓制成50～100μm的薄膜，進行FTIR分析；

DSC分析：將一定量的PP、PP－g－AA樣品研磨成適當粒度的粉末，采用DSC進行測試，升溫速率為10℃/min；

SEM 分 析：將 PP/CaCO3、PP/CaCO3/PP－g－AA復合材料在液氮中脆斷，用SEM對樣品進行檢測，加速電壓為10kV；

沖擊性能按照GB/T 1043—1979進行測試，無缺口，擺錘速度為3.5m/s，沖擊能量為5.5J；

拉伸性能按照GB/T 1040—1979進行測試，拉伸速率為100mm/min；

接枝率的測定：采用非水滴定法，以二甲苯為溶劑，以1%的酚酞 -無水乙醇溶液作指示劑，以NaOH-無水乙醇溶液、HCl-無水乙醇溶液作滴定液，滴定液濃度由鄰苯二甲酸氫鉀校定，接枝率（G）的計算公式如示（1）所示。經測試，用蠕動泵在液體加料口勻速加料工藝得到產物的接枝率為2.204%。

式中 M——AA的摩爾質量，g/mol

C1——HCl-無水乙醇溶液的濃度，mol/L

C2——NaOH-無水乙醇溶液的濃度，mol/L

V1——滴定樣品時HCl-無水乙醇溶液消耗的體積，mL

V3——空白樣時HCl-無水乙醇溶液消耗的體積，mL

V2——滴定樣品時NaOH-無水乙醇溶液消耗的體積，mL

V4——空白樣時NaOH-無水乙醇溶液消耗的體積，mL

m——待分析純化接枝物的質量，g

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

如圖1所示，FTIR譜圖表明，在1715cm－1處出現了一個羧基吸收峰，這個羧基吸收峰是由接枝到PP上的AA產生的，證明單體AA成功地接枝到聚合物鏈上，形成了接枝共聚物。

圖1 樣品的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra for the samples

2.2 PP與PP－g－AA的熱性能分析

如圖2所示，純PP的熔點為168.0℃，而接枝率較高的PP－g－AA的熔點為162.0℃，與純PP相比，PP－g－AA的熔點有了一定程度的降低，這主要是由于在接枝反應后，PP主鏈上的叔碳氫原子被AA支鏈取代，接枝產物相對分子質量、規整度下降，致使接枝產物熔點略有下降。

圖2 樣品的DSC曲線Fig.2 DSC curves for the samples

2.3 PP－g－AA對PP/CaCO3復合材料相態的影響

為了研究復合材料力學性能的差異[10－11]，采用SEM觀察PP－g－AA和CaCO3在共混物中的分散情況，如圖3所示。從圖3中可以看出，斷面都比較光滑，斷面呈大片臺階狀，故應屬于脆性斷裂。圖3（a）的斷面形貌不均一，顆粒狀粒子較多，可反映出純PP與無機填料的相容性不好。圖3（b）、（c）的斷面臺階狀雖多，長狀明顯，但共界面均一，這反映了PP－g－AA作為一種相容劑加入到PP/CaCO3中，PP－g－AA引入了極性基團－COOH，它能與CaCO3填料表面的鈣離子產生離子鍵結合，起到了明顯的增容作用，隨著PP－g－AA添加量的增多，如圖3（c）所示，復合材料的界面相容性更加明顯，這是因為復合材料中加入一定量相容劑后，分散相粒徑細小均勻，兩相結合緊密，很好地改善了PP復合材料的相容性，這從它們的沖擊性能上也有體現。

圖3 樣品的SEM照片Fig.3 SEM micrographs for the samples

2.4 PP－g－AA對PP/CaCO3復合材料力學性能的影響

如表1所示，在PP/CaCO3復合材料中加入5%的PP－g－AA會使拉伸強度提高，而沖擊強度略有降低，當增大接枝物的添加量時，復合材料的沖擊性能提高，而拉伸強度增加幅度變化不大，這主要是因為PP－g－AA對PP的增強增韌作用，材料的斷裂伸長率均在250%以上。復合材料的沖擊強度和拉伸強度較高，這一現象可以間接反應出PP－g－AA與PP之間的相容性較好，沖擊擊強度仍維持了較高的水平，這是由于AA分子鏈通過基團與CaCO3之間吸附摻雜形成氫鍵產生了較強的作用力，使相容性得到了提高。

表1 樣品的力學性能Tab.1 Mechanical properties of the samples

3 結論

（1）按 PP/DCP/AA＝1000/1/32的比例配料，用蠕動泵在雙螺桿擠出機液體加料口勻速加入液體AA，控制蠕動泵轉速為8.0r/s、螺桿轉速為80～100r/min、喂料速度為25～30r/min、切料速度為300～400r/min時，能夠得到接枝率為2.204%的PP－g－AA；

（2）與純PP相比，PP－g－AA的熔點略有下降；

（3）與 PP/CaCO3相比，PP/CaCO3/PP－g－AA 復合材料的拉伸強度有了明顯的提高，沖擊性能也有所增加，隨著PP－g－AA添加量的增多，力學性能明顯提高，說明復合材料的相容性得到了明顯的提高。

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Study on Morphology and Properties of PP/CaCO3/PP－g－AA Composites

ZHU Qingmei，LI Shuhua，ZHAO Yanfeng，FU Bo
（College of Materials Science and Engineering，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Acrylic acid grafted polypropylene（PP－g－AA）was prepared via melt grafting using a two screw extruder equipped with a liquid feeding，which was used as a compstibilizer in PP/CaCO3system.The resulted system was studied using Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR），differential scanning calorimetery（DSC），and scanning electron microscope（SEM）.When content of CaCO3was 10%and content of PP－g－AA（grafting ratio 2.204%）was 10%，a set of optimal mechanical properties was obtained.

polypropylene；acrylic acid grafted polypropylene；calcium carbonate；feed craft；grafting ratio；mechanical property

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2012）02－0046－04

2011－08－31

聯系人，zqm109＠126.com

（本文編輯：劉 學）