彈性體增韌聚丙烯材料橡膠形貌的研究

趙鵬偉，谷曉杰，孫 剛

(1上海金發科技發展有限公司,上海工程塑料功能化工程技術中心,上海 201714；2 上海大眾汽車有限公司,上海 201805)

聚丙烯（PP）材料具有低密度、力學性能優良、環保無毒以及可回收等優勢,在汽車、家用電器等領域得到了廣泛應用[1-2]。但是純粹的PP材料由于其分子結構以及半結晶特性,導致其低溫韌性非常差,為改善聚丙烯材料的常溫韌性和低溫韌性,通常需要加入彈性體對PP材料進行增韌。

彈性體增韌PP材料的增韌效果與其最終在材料中的橡膠形貌高度相關。為深入研究PP材料中彈性體的橡膠形貌特點,我們選用了與PP材料相容性優異的彈性體A以及與PP材料相容性一般的彈性體B作為PP材料增韌劑,研究兩種相容性不同的彈性體對于最終橡膠形貌的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PP1,共聚聚丙烯材料,熔融指數(MI)為60g/10min (230℃/2.16kg),韓國SK生產；PP2：均聚聚丙烯材料,熔融指數(MI)為60g/10min(230℃/2.16kg),蘭州石化生產；彈性體A：MI為13.0g/10min (190℃/2.16kg),美國科騰公司生產；彈性體B：MI為5.0g/10min(190℃/2.16kg),陶氏化學公司生產；滑石粉：3000目,廣西桂林桂廣滑石粉有限公司。

1.2 儀器及設備

雙螺桿擠出機：SHJ-30型,南京瑞亞高聚物裝備有限公司；注塑機：B-920型,浙江海天注塑機有限公司；掃描透射電子顯微鏡(STEM)：JEM-2100F,日本電子有限公司。

1.3 試樣制備

將滑石粉、彈性體與聚丙烯進行共混擠出。擠出溫度為35 、195、200、205、210、210、210、210 、205 ℃。螺桿轉速為400r/min。按上述擠出參數進行單因素實驗,冷卻造粒后,在120℃下烘6h。

1.4 掃描透射電鏡分析

掃描透射電鏡（STEM）分析：樣品超薄切片后,采用RuCl3染色。

2 結果與討論

2.1 彈性體含量對PP材料橡膠形貌的影響

表1中,我們根據彈性體種類和含量的不同設計了6組配方,彈性體A與PP材料的相容性優異,彈性體B與PP材料的相容性一般。

表1 彈性體含量對PP材料橡膠形貌影響的配方設計Table 1 Formula design of the influence of elastomer content on PP material rubber morphology

分別對1#～6#材料采用掃描透射電鏡進行橡膠形貌的對比測試,研究彈性體含量變化對于最終PP材料的橡膠形貌影響,結果如圖1和圖2所示。

圖1 彈性體A含量對橡膠形貌的影響Fig.1 Relation of elastomer A content and rubber morphology

對表1中的1#～3#材料進行掃描透射電鏡分析,結果如圖1所示。從掃描透射電鏡譜圖可以發現,隨著彈性體A的含量從15%逐漸增加到25%,PP材料的橡膠形貌逐漸從球狀分布過渡到條狀分布,并且彈性體A含量從20%增加到25%時,其橡膠形貌出現了球狀到條狀的轉變。 對表1中的4#～6#材料進行掃描透射電鏡分析,具體測試結果如圖2所示。從掃描透射電鏡譜圖可以發現,隨著彈性體B的含量從15%逐漸增加到25%,PP材料的橡膠形貌逐漸從球狀分布過渡到條狀分布,并且彈性體B含量從15%增加到20%時,其橡膠形貌出現了球狀到條狀的轉變。

圖2 彈性體B含量對橡膠形貌的影響Fig.2 Relation of elastomer A content and rubber morphology

將圖1和圖2的掃描透射電鏡譜圖進行對比,我們可以發現,無論對于與PP樹脂相容性優異的彈性體A還是與PP樹脂相容性一般的彈性體B來說,隨著彈性體含量的增加,其橡膠形貌都會從球狀分布逐漸過渡到條狀分布,這是因為橡膠含量超過一定程度,根據逾滲理論,橡膠粒子之間的間距小于臨界值之后,其應力場相互重疊從而對橡膠粒子施加足夠的剪切應力,造成橡膠粒子產生形貌突變。區別在于兩種彈性體出現形貌突變的臨界點不同,對于與PP樹脂相容性優異的彈性體A,其出現橡膠形貌突變的橡膠含量臨界點較高,彈性體A添加量在20%～25%之間出現了從球狀到條狀的形貌突變；而對于與PP樹脂相容性一般的彈性體B,其出現橡膠形貌突變的橡膠含量臨界點較低,彈性體A添加量在15%～20%之間便出現了從球狀到條狀的形貌突變。

據此我們可以推測,彈性體與PP樹脂之間的相容性對最終其在PP材料中的形貌影響很大,彈性體與PP樹脂的相容性越好,其形貌分布越趨向于球狀分布,彈性體與PP樹脂的相容性越差,其形貌分布越傾向于條狀分布。

2.2 彈性體與PP樹脂相容性對橡膠形貌的影響

為進一步研究彈性體與PP樹脂的相容性對橡膠形貌的影響,我們選用彈性體A作為相容劑,研究其對于彈性體B增韌體系形貌的影響,設計配方見表2。其中1#和2#材料采用共聚PP樹脂,2#材料在1#材料的基礎上將2%的彈性體B替換成2%的彈性體A,以此改善PP樹脂和彈性體B的相容性；3#和4#材料采用均聚PP樹脂,4#材料在3#材料的基礎上將2%的彈性體B替換成2%的彈性體A,以此改善PP樹脂和彈性體B的相容性。

表2 彈性體相容性對PP材料橡膠形貌影響的配方設計Table 2 Formula design of the influence of elastomer compatibility on PP material rubber morphology

對表2中的1#、2#材料進行掃描透射電鏡分析,結果如圖3所示。從掃描透射電鏡譜圖可以發現,將共聚PP配方體系中的2%彈性體B替換成2%彈性體A之后,由于相容性得到了改善,其橡膠粒子尺度減小,并且其橡膠形貌出現了條狀到球狀的輕微轉變。

圖3 彈性體與共聚PP樹脂相容性對橡膠形貌的影響Fig.3 Relation of compatibility of Co-PP/elastomer and rubber morphology

對表2中的3#、4#材料進行掃描透射電鏡分析,結果如圖4所示。從掃描透射電鏡譜圖可以發現,將均聚PP配方體系中的2%彈性體B替換成2%彈性體A之后,由于相容性得到了改善,其橡膠粒子尺度減小,并且其橡膠形貌出現了條狀到球狀的顯著轉變。

圖4 彈性體與均聚PP樹脂相容性對橡膠形貌的影響Fig.4 Relation of compatibility of Ho-PP/elastomer and rubber morphology

對比圖3和圖4的掃描透射電鏡譜圖,我們可以發現,無論對于共聚PP材料還是均聚PP材料,改善彈性體與PP樹脂之間的相容性都會使彈性體的形貌出現條狀到球狀的轉變,而且對于均聚PP配方體系,這種由于彈性體與PP樹脂的相容性改善造成的形貌突變更為顯著。這進一步證實了彈性體與PP樹脂的相容性越好,其形貌越趨向于球狀分布。

3 結論

選用與PP樹脂相容性優異的彈性體A以及與PP樹脂相容性一般的彈性體B作為PP材料增韌劑,研究了兩種相容性不同的增韌劑在PP材料中的形貌特征。

(1)隨著彈性體含量逐漸增加,彈性體A和彈性體B增韌體系都出現了球狀分布到條狀分布的轉變。

(2)與PP樹脂相容性優異的彈性體A增韌體系出現形貌轉變的橡膠含量臨界點較高,橡膠含量在20%～25%之間出現了彈性體形貌轉變。

(3)與PP樹脂相容性一般的彈性體B增韌體系出現形貌轉變的橡膠含量臨界點較低,橡膠含量在15%～20%之間便出現了彈性體形貌轉變。

(4)將25%彈性體B增韌體系中的2%彈性體B替換成2%彈性體A,以此增加彈性體B與PP樹脂的相容性,結果表明改善相容性后,橡膠形貌出現了從條狀到球狀的改變。

(5)彈性體與PP樹脂的相容性越好,其橡膠形貌越趨向于球狀分布。