不同相對分子質量PP對iPB-1/PP共混物性能的影響

肖瑋佳，劉晨光

(青島科技大學高分子科學與工程學院，山東省烯烴催化與聚合重點實驗室，橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042)

不同相對分子質量PP對iPB-1/PP共混物性能的影響

肖瑋佳，劉晨光*

(青島科技大學高分子科學與工程學院，山東省烯烴催化與聚合重點實驗室，橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島266042)

采用熔融共混法制備了高全同聚丁烯 -1(iPB-1)/聚丙烯(PP) 共混物，研究了PP的重均相對分子質量和質量分數對iPB-1/PP共混物的力學性能及結晶性能的影響。結果表明，PP的相對分子質量及質量分數的增加對iPB-1的結晶溫度、相對結晶度影響不大；PP的加入，可以顯著提高iPB-1/PP共混物的彎曲強度、彎曲模量和肖D硬度，降低其沖擊強度；PP相對分子質量對iPB-1/PP共混物的拉伸強度、彎曲強度影響不大；固定PP的質量分數，隨著PP相對分子質量的增加，iPB-1/PP共混物的沖擊強度、肖D硬度增大。

聚丁烯 -1；聚丙烯；共混；力學性能；結晶性能

0 前言

iPB-1具有優良的力學性能，突出的抗蠕變性、耐低溫性和耐環境應力開裂性，適用于制備管材、薄膜和薄板，尤其適合制備熱水管[1]。目前，國內的iPB-1原料主要依靠進口，造成了iPB-1管材價格的居高不下，并且，iPB-1的彎曲強度和硬度有待提高[2]。因此，對iPB-1進行改性具有一定的應用價值。

目前，對iPB-1的改性方法有共聚、接枝、填充、共混等[3]，其中共混是工業上最簡單易行的方法之一。PP作為一種通用的熱塑性塑料，質優價廉、加工性能優異[4]，分子結構與iPB-1相似，兩者具有一定的相容性[5]。目前，研究學者對PP、iPB-1共混體系的研究主要集中于復雜的相行為、結晶行為和微觀形貌[6-9]，而對于該共混體系的宏觀性能關注點主要集中于用iPB-1改善PP的韌性[5，10-12]。采用不同相對分子質量的PP改性iPB-1的相關報道較少，曾威用PP改性iPB-1，分別研究了熱處理對PB-1/PP共混物的性能影響[2]和PB-1/PP 共混物的結晶形態與動態流變性[13]；張明明[14]研究了iPB/PP合金體系的相容性、熔融及結晶行為。本文通過熔融共混法制得了iPB-1與不同相對分子質量PP的共混物，探究了iPB-1/PP共混物的力學性能和結晶性能，進一步擴展了iPB-1的使用方向。

1 實驗部分

1.1 主要原料

iPB-1，粒料，重均相對分子質量(Mw)為7.3×105g/mol，等規度為95.6%，山東東方宏業化工有限公司；

PP，均聚，粉料，牌號分別為PP013、PP150、PP450，Mw分別為7.2×105、3.6×105、2.9×105g/mol，等規度分別為96.9%、96.2%、96.4%，茂名石化實華股份有限公司；

抗氧劑1010、抗氧劑626，市售；

色母，自制。

1.2 主要設備及儀器

轉矩流變儀，RM-200C，哈爾濱哈普電氣技術有限公司；

開放式煉膠機，X(S)K-160，上海雙翼橡塑機械有限公司；

壓力成型機，XLB-D400×400×2H，浙江湖州東方機械有限公司；

平板硫化機，XLB，青島亞東橡機有限公司青島第三橡膠機械廠；

缺口制樣機，QYJ1251，深圳市新三思材料檢測有限公司；

啞鈴型樣條制樣機，ZYJ-Ⅰ，深圳市新三思材料有限公司；

條形樣條制樣機，XXZ-Ⅱ，承德市金建檢測儀器有限公司；

電腦伺服拉力試驗機，GT-TCS-2000，高鐵科技股份有限公司；

萬能試驗機，GT-TCS-2000，高鐵檢測儀器有限公司；

數位沖擊試驗機，GT-7045-MDH，高鐵科技股份有限公司；

橡膠硬度計，LX-D邵爾D，上海六菱儀器廠；

差示掃描量熱儀(DSC)，DSC8500，美國PerkinElmer公司。

1.3 樣品制備

將原料40℃下干燥24h后，按表1的配方用轉矩流變儀進行熱機械共混，共混溫度為180℃，轉速為50r/min，混煉時間為5min，開放式煉膠機下片(下片溫度為60℃)；共混料在壓力成型機上壓片，工作溫度為190℃，保壓時間為5min，冷壓時間為5min，工作壓力均為10MPa；將壓制好的片材裁成標準樣條。

表1 實驗配方表 份

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GB/T1040—2006測試，Ⅰ型啞鈴形試樣，拉伸速率為50mm/min；

彎曲性能按GB/T9341—2000測試，彎曲速率為2mm/min，測試行程為6mm；

沖擊性能按GB/T1843—2008測試；擺錘能量為2.75J，A型缺口；

肖D硬度按GB/T2411—2008測試，針尖半徑為0.1mm；

DSC分析：樣品在室溫下放置7d，稱量約6mg的樣品在氮氣氣氛中以10℃/min的速率從20℃升溫至200℃，恒溫5min，再以10℃/min的速率降溫至20℃，再以10℃/min的速率升溫至200℃，記錄其DSC曲線；樣品的熔融溫度(Tm)和結晶溫度(Tc)均取DSC曲線的峰值，熔融焓(ΔHm)為DSC曲線的峰面積，結晶半峰寬(WPWH)取峰高中值的跨距；相對結晶度(Xc)按式(1)計算：

(1)

式中Xc——樣品的相對結晶度， %

ΔHm——樣品的熔融焓，J/g

WiPB-1(PP)——共混物中iPB-1(PP)的質量分數， %

2 結果與討論

2.1 iPB-1/PP共混物的結晶性能

2.1.1PP質量分數的影響

由圖1和表2可知，共混物中PP組分的Tc、Tm和Xc均比純PP有所下降，其中Tc和Tm隨PP質量分數的減少而降低，WPWH相應增加。降溫過程中PP在iPB-1熔體存在的情況下結晶，此時iPB-1的熔體對PP結晶起到阻礙作用[8]，降低了PP球晶的完善程度，提高了PP結晶的過冷度。對于PP來說，iPB-1熔體相當于溶劑，PP的質量分數越少，溶液濃度越低，越不易結晶。

相比于純iPB-1，iPB-1/PP共混物中iPB-1的Tc隨PP質量分數的增加而提高，WPWH也相應減小，PP球晶的存在對iPB-1的結晶起到了促進成核的作用[17]。二次升溫曲線對比，放置7d后iPB-1進行晶型轉變得到晶型Ⅰ熔融曲線，結晶度較高，而第二次升溫是在結晶之后直接進行，得到iPB-1晶型Ⅱ熔融曲線，Xc較低。但從兩次的升溫熔融曲線都可以看出，與純iPB-1相比，共混物中iPB-1的Xc降低(除2#樣品外)。主要因為PP對iPB-1的結晶行為起到兩方面的作用[18]：一方面，PP會對iPB-1的結晶起到促進成核的作用，增大了iPB-1的結晶速率；另一方面，PP無定形相的存在會對iPB-1熔體起到稀釋的作用，降低了iPB-1的結晶能力。因此，盡管PP的加入使得iPB-1的結晶速率加快，但是也使得其Xc降低。2#樣品中iPB-1的一次升溫曲線的Xc會升高，是因為其中PP的質量分數低，其對iPB-1的稀釋作用較弱，iPB-1晶型Ⅱ的Xc較大。同時，PP的存在也會促使iPB-1的晶型轉變[8]，因此。2#樣品中iPB-1放置7d后一次升溫曲線表明Xc增加。從兩次升溫數據來看，當PP質量分數為15%時，iPB-1的Xc明顯下降，是因為PP對iPB-1的稀釋作用增強，同時PP已經形成的球晶占據大量空間，iPB-1在受限情況下進行晶體生長[19]，鏈段移動的阻力增加，導致Xc降低。

樣品：1—1# 2—2# 3—3# 4—4# 5—5# 6—6#(a)一次升溫熔融 (b)降溫結晶 (c)二次升溫熔融圖1 iPB-1/PP共混物的DSC曲線Fig.1 DSC curves of iPB-1/PP blends

樣品Tam1/℃Tbm1/℃Tbm2/℃Xac1/%Xbc1/%Xbc2/%Tac/℃Tbc/℃WaPWH/℃WbPWH/℃1#—127.3114.8—63.954.4—83.4—6.32#163.2128.7115.149.566.651.384.184.1—6.53#163.7127.7114.747.759.148.284.584.5—6.44#163.7127.1114.347.156.143.5101.385.07.25.05#164.1128.0114.748.660.842.1103.585.46.55.16#166.5——55.0——117.6—4.3—

注：a—PP；b—iPB-1；1—一次升溫；2—二次升溫。

2.1.2PP相對分子質量的影響

從圖2和表3可以看出，隨著PP組分相對分子質量的增加，PP組分的Tc、Tm和Xc均降低。因為相對分子質量較大的PP分子鏈在iPB-1基體中的鏈段運動更慢，并且分子鏈間的物理交聯作用更強，因此其結晶性能降低。不同相對分子質量的PP組分對iPB-1晶型Ⅰ和晶型Ⅱ的熔點影響都不大，說明PP的加入對球晶的完善程度影響不大；iPB-1晶型Ⅱ的Xc變化不大，但是晶型Ⅰ的Xc都降低了，說明PP的加入主要影響了晶型Ⅱ向晶型Ⅰ的轉變過程；同時iPB-1的Tc提高，但是WPWH略有增加，Tc的提高是因為PP的異相成核作用造成的，結晶速率的降低可能是受限結晶的結果。但是不同相對分子質量的PP對iPB-1結晶過程造成的影響并無明顯區別。

樣品：1—1# 2—3# 3—7# 4—8#(a)一次升溫熔融 (b)降溫結晶 (c)二次升溫熔融圖2 不同相對分子質量PP的iPB-1/PP共混物DSC曲線Fig.2 DSC curves of iPB-1/PP blends with different molecular weight of polypropylene

樣品Tam1/℃Tbm1/℃Tbm2/℃Xac1/%Xbc1/%Xbc2/%Tac/℃Tbc/℃WbPWH/℃1#—127.3114.8—63.931.1—83.44.03#163.7127.7114.747.759.130.784.584.54.37#164.1126.9114.449.559.032.091.284.74.38#164.9127.8114.954.459.031.292.883.95.1

2.2 iPB-1/PP共混物力學性能分析

iPB/PP共混物力學性能見圖3，隨著PP質量分數的增加，iPB-1/PP共混物的拉伸強度略有增大。PP為結晶聚合物，其Tc高于iPB-1，因此PP加入對iPB-1結晶起到促進成核的作用，增加了iPB-1的成核點，iPB成核點可作為iPB-1/PP共混物內部的物理交聯點，因此iPB-1/PP共混物的拉伸強度增大。并且根據二元共混物拉伸強度法則可知[20]，當PP的質量分數增加時，iPB-1/PP共混物的拉伸強度增大。由于iPB-1和PP部分相容[5-6]，PP的質量分數在20%以上時，iPB-1/PP共混物中兩組分的相容性下降，兩相界面增加，容易形成應力集中，造成了拉伸性能的下降。隨著PP相對分子質量的增加，iPB-1/PP共混物拉伸強度的最大值出現時PP所占的質量分數減少。

樣品：■—3# ●—7# ▲—8#(a)拉伸強度 (b)彎曲強度 (c)彎曲模量 (d)沖擊強度 (e)肖D硬度圖3 PP含量對iPB-1/PP共混物力學性能的影響Fig.3 Effect of polypropylene content on mechanical properties of the blends

iPB-1/PP共混物的彎曲強度和彎曲模量隨著PP質量分數的增加而增大。主要原因是：(1)PP的剛性比iPB-1大，加入到iPB-1/PP共混物中使iPB-1/PP共混物的剛性增加；(2)加工過程中，PP先于iPB-1結晶，依據研究者對雙結晶體系受限結晶行為的研究[19-21]，可知PP的球晶限制了iPB-1/PP共混物中分子鏈的運動，增加了iPB-1/PP分子鏈的剛性。當PP的質量分數較大時(≥20%)，PP相對分子質量的影響得以體現，較短分子鏈更易結晶，結晶誘導期短，球晶完善程度更好，結晶度增加，因此加入相對分子質量較小的PP，iPB-1/PP共混物的彎曲強度和彎曲模量更大。

iPB-1/PP共混物的沖擊強度隨著PP質量分數的增加而略有降低，肖D硬度隨著PP質量分數的增加而增加，這與共混物彎曲性能增加的原理相同。隨著PP相對分子質量的增加，iPB-1/PP共混物的沖擊強度增大，PP在iPB-1/PP共混物中的Xc減小，即作為物理交聯點的晶粒數量減少，分子鏈的柔順性增加，共混物的韌性增大，使其沖擊性能保持較好。

3 結論

(1)PP質量分數的增加有利于iPB-1的結晶成核，但會影響iPB-1的結晶度，不同相對分子質量的PP對iPB-1的結晶溫度和結晶度影響基本一致；

(2)iPB-1/PP共混物中iPB-1會降低PP組分的熔融溫度、結晶溫度、相對結晶度，其中結晶溫度和熔融溫度隨著PP質量分數的減少而降低，且這些參數隨著PP相對分子質量的增加而降低；

(3)隨著PP質量分數的增加，iPB-1/PP共混物的拉伸性能在PP質量分數為10%～15%時達到最大，iPB-1/PP共混物的彎曲性能和肖D硬度明顯增加；當PP的質量分數在15%以上時，相對分子質量較小的PP對iPB-1/PP共混物的彎曲性能提高較多，但使iPB-1/PP共混物沖擊性能降低的幅度更大；因此PP質量分數為10%的iPB-1/PP共混物的綜合性能最好。

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EffectofPolypropylenewithDifferentMolecularWeightonPropertiesofIsotacticPolybutene-1/PolypropyleneBlends

XIAO Weijia, LIU Chenguang*

(Shandong Provincial Key Laboratory of Olefin Catalysis and Polymerization, Key Laboratory of Rubber-Plastics ofMinistry of Education, School of Polymer Science and Engineering, Qingdao University ofScience and Technology, Qingdao 266042, China)

Isotactic polybutene-1 (iPB-1)/polypropylene (PP) blends were prepared by melt blending, and effects of molecular weight and content of PP on their mechanical properties and crystallization behaviors were investigated. The results indicated that variation of molecular weight and content of PP almost did not influence crystallization temperature and relative crystallinity of iPB-1. On the other hand, incorporation of PP improved the flexible strength, flexible modulus and D-Shore hardness of the blends, but reduced their impact toughness. Moreover, there was no influence observed for the relative molecular weight of PP on tensile and flexible strength. With same PP content, the blends exhibited an increase in impact strength and D-Shore hardness with an increase of the relative molecular weight of PP.

isotactic polybutylene-1; polypropylene; blend; mechanical property; crystallization

國家自然科學基金(21174074)；泰山學者工程專項經費；山東省重點研發計劃(2015GGX 102019)

TQ325.1

B

1001-9278(2017)09-0056-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.008

2017-03-21

*聯系人，liuchenguang@qust.edu.cn