納米聚丙烯材料的研制

鄭夏蓮，陳輝，馬元好

(1.宜春學院物理科學與技術工程學院，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，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品產量非常小，國內的高端聚丙烯專用料幾乎全部依賴進口，因此自主開發性能優良的碳酸鈣/聚丙烯復合材料有著重要的現實意義。這種新材料具有可替代國外先進產品的特點，成本低廉，交運快捷，同時在通用塑料工程化領域做出重要貢獻。

聚丙烯（PP）分子呈線性結構，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點。可是聚丙烯分子極性較小，結晶化程度高，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問題，納米粒子表面活性中心多，可以和基體緊密結合，相容性比較好[4～6]。當受到外力，粒子與基體連接比較緊密，而且因為應力場的作用，在基體內部會產生變，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力，又能引發基體內部產生彎曲，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，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。

重質碳酸鈣：粒徑2000目。

三元乙丙橡膠（EPDM）：上海巖中實業有限公司。

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，南京創博機械設備有限公司。

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溫度應保持在190～210℃，螺桿轉速為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的影響而導致粒子內部結構的不均勻）且在雙螺桿的設計上要多加幾個剪切部使其充分融合；將擠出材料經過水槽的的循環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，而且因為應力場的作用，在基體內部會產生變，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力，又能引發基體內部產生彎曲，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粒混合之后會在起表面形成一種保護膜，導致在混合過程中顆粒之間不會產生團聚（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的熔融指數影響越大。

2）對納米碳酸鈣的處理方式決定了能否發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:化學工業出版,2010.

[2]王玨.塑料改性實用技術與應用[D].北京:中國輕工業出版社, 2010.

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[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:化學工業出版社,2013.

[7]何海平.現代塑料成型加工新技術新工藝及質量控制全書[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、配方與應用[M].北京:化學工業出版社,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及其對等離子體波模的影響（No.2015BAB212010）,市場化培養物理學專業應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。