纖維狀β成核劑對建筑用嵌段共聚聚丙烯管力學(xué)性能的影響

王中最

四川省西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

纖維狀β成核劑對建筑用嵌段共聚聚丙烯管力學(xué)性能的影響

王中最

四川省西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管在使用時面臨環(huán)向強(qiáng)度低和沖擊韌性差兩大難題。本文利用β成核劑自成纖，在PP-B管中構(gòu)建β型雜化串晶結(jié)構(gòu)，同時提高了PP-B管的沖擊韌性和環(huán)向強(qiáng)度，取得了良好效果。

PP-B管；纖維狀β成核劑；β型雜化串晶；力學(xué)性能

1 引言

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管已被廣泛用于建筑排水管網(wǎng)建設(shè)中，其安裝和使用對抗沖韌性和環(huán)向強(qiáng)度有較高要求。但常規(guī)PP-B管主要由各項(xiàng)同性α型球晶組成，易在外部應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂[1]，環(huán)向強(qiáng)度和沖擊韌性均有待進(jìn)一步提高。

控制PP-B形成能提高強(qiáng)度的有序片晶，和能提高韌性的β型晶體是實(shí)現(xiàn)PP-B力學(xué)性能改善的有效手段。聚合物晶體結(jié)構(gòu)由結(jié)晶初期的晶核結(jié)構(gòu)決定，在PP-B中添加成核劑，通過異相成核可實(shí)現(xiàn)對PP-B結(jié)晶過程的控制。Deshmukh等的研究表明，通過調(diào)控最高加熱溫度，可控制酰胺類β成核劑在聚丙烯（PP）中分別自組裝為點(diǎn)狀、纖維狀和樹枝狀形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對PP晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計[2]。本文借鑒這一基本結(jié)論，將酰胺類β成核劑TMB-5用于PP-B管的制備過程，控制TMB-5自組裝為纖維狀形態(tài)，考察其對PP-B管晶體結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響。

2 樣品制備與表征

實(shí)驗(yàn)原料

嵌段共聚聚丙烯（PP-B,EPS30R），中國石化獨(dú)山子分公司，溶體流動速率（MFI）1.3g/10min(230℃，2.16kg)，熔點(diǎn)164.7oC。

芳酰胺類β成核劑，TMB-5，中國山西省化學(xué)工業(yè)研究院。

樣品制備

采用TSSJ-25/33同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)，在最高加熱溫度不高于190oC的條件下，熔融共混制備含0.1wt%TMB-5的PP-B原料。利用常規(guī)管材擠出機(jī)組（由單螺桿擠出機(jī)，冷卻定型設(shè)備和牽引設(shè)備組成），控制最高加熱溫度為230oC，分別在相同條件下制備含TMB-5的PP-B管和純PP-B管，樣品分別命名為CPBT和CPB。

樣品測試和表征

分別采用二維廣角X射線衍射（2D-WAXD）和散射（2DSAXS）表征PP-B管的晶體結(jié)構(gòu)；采用掃描電鏡（SEM）和偏光顯微鏡（POM）觀察PP-B管的晶體形貌；采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)和落錘沖擊測試儀，分別測定PP-B管的環(huán)向抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性。

3 結(jié)果和討論

PP-B分子鏈在擠出過程中受壓力流動和拉伸力場傾向于沿擠出方向排列，但伸直分子鏈極易松弛，最終導(dǎo)致PP-B管中無自增強(qiáng)作用的串晶結(jié)構(gòu)生成。這一點(diǎn)可以從圖1中的結(jié)果得到證實(shí)。圖1a為CPB管SEM照片，由于PP-B中的橡膠相與無定形區(qū)中分子鏈不受性質(zhì)穩(wěn)定的晶區(qū)保護(hù)，在刻蝕過程中被優(yōu)先去除。顯然，CPB管中只有向四周發(fā)散生長的球晶與均勻分散的不規(guī)則彈性相，其對應(yīng)的2D-WAXD衍射圖樣亦為均勻分布的同心圓，表明CPB基體中無自增強(qiáng)相存在。

圖1 （a）CPB管內(nèi)表面SEM照片和對應(yīng)的2D-WAXD測試結(jié)果；（b）CPBT管內(nèi)表面POM照片和對應(yīng)2D-WAXD測試結(jié)果

與之截然不同，在PP-B中添加自組裝β成核劑TMB-5，控制最高擠出溫度為230oC，可誘導(dǎo)TMB-5在PP-B熔體中自組裝為纖維狀形態(tài)，并沿擠出方向定向排列，最終誘導(dǎo)PP-B分子鏈在其上附生生長，形成取向晶體結(jié)構(gòu)，如圖1b中的POM照片所示。從對應(yīng)的2D-WAXD測試結(jié)果可知，β（300）晶面對應(yīng)的衍射圖樣為對稱分布的不均勻六段圓弧，證明所得取向晶體為雜化串晶結(jié)構(gòu)，其表面附生的片晶有序堆積于纖維狀TMB-5兩側(cè)[3]。

圖2 對CPB和CPBT 2D-WAXD圖樣積分得到的衍射強(qiáng)度/2θ角曲線

表1 CPB和CPBT管中的結(jié)晶度和β晶相對含量

CPB與CPBT管中的晶體組成可通過對圖1中的2D-WAXD圖樣進(jìn)行積分后得到。圖2為CPB與CPBT管的X射線衍射一維曲線。不難看出，CPBT管中的雜化串晶因在β成核劑TMB-5表面附生生長而成，而主要由β型片晶組成，在X射線譜圖上表現(xiàn)出極強(qiáng)的β（300）晶面衍射峰；與之不同，CPB管中球晶的X射線衍射結(jié)果則沒有此衍射峰存在，說明其主要由α型晶體組成。進(jìn)一步利用Mjade分析軟件，對圖中各峰進(jìn)行擬合，便可得出β晶相對含量與總結(jié)晶度。如表1所示，CPBT管中的β晶含量高達(dá)84.7%，而CPB管中則幾乎沒有β晶；但二者的結(jié)晶度相差不大。

綜上可知，通過控制β成核劑自成纖，成功在CPBT管中引入了β雜化串晶結(jié)構(gòu)。

圖3 CPB和CPBT管的環(huán)向抗拉強(qiáng)度沖擊韌性

聚合物的宏觀性能與其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由前述可知，PP-B管中主要由橡膠相與各向同性的α球晶組成。盡管大量文章證明PP-B中的橡膠相因?yàn)椤癊bP（乙烯丙烯嵌段物）”的存在而與PP基體有較好的界面相容性，但這一方面并不能避免橡膠相在連續(xù)受力的情況下脫離基體，另一方面也勢必在連續(xù)形變過程中造成界面應(yīng)力集中。反應(yīng)在環(huán)向拉伸強(qiáng)度上，CPB的環(huán)向抗拉強(qiáng)度較差，為15.5MPa。而CPBT管中的情況卻有明顯改變，由于纖維狀TMB-5使基體的晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榱似в行蚺帕械摩码s化串晶，因而CPBT管的環(huán)向抗拉強(qiáng)度有了明顯提高，達(dá)到20MPa，增幅達(dá)29%。此外，圖3同樣給出了CPB管與CPBT管的落錘沖擊韌性。由于均勻分散的橡膠相在受到外界沖擊作用時具有誘導(dǎo)微裂紋吸收能量，并阻止微裂紋進(jìn)一步發(fā)展成為宏觀裂縫的能力，因此CPB管的落錘沖擊韌性高達(dá)～17J。而CPBT管中富集β雜化串晶，在β型晶體的增韌作用下進(jìn)一步將該數(shù)值提高21%，達(dá)到～21J。

4 結(jié)語

本文通過對比研究，探討了纖維狀β成核劑對建筑用PP-B管力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，纖維狀β成核劑可誘導(dǎo)PP-B管中形成有序排列β雜化串晶，使PP-B管環(huán)向抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性分別提高29%和21%。這一結(jié)果，將有助于提升建筑用PP-B管材的使用性能。

[1]H.B.Chen,J.Karger-Kocsis,J.S.Wu,J.Varga.Polymer 2002,43:6505.

[2]Y.S.Deshmukh,C.H.R.M.Wilsens,N.Leoné,G.Portale,J.A.W.Harings,S.Rastogi.Industrial&Engineering Chemistry Re?search 2016,55:11756.

[3]R.Han,Y.J.Lin,Q.Wang,M.Nie.Rsc Advances 2014,4:65035.

王中最（1990年生），女，新疆烏魯木齊，碩士，西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事高分子材料方面的研究工作。