聚丙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料的制備與表征

史 立 恒

（蒲城清潔能源化工有限責(zé)任公司, 陜西 渭南 715506）

聚丙烯（PP）以其機(jī)械性能好、無(wú)毒、相對(duì)密度低、強(qiáng)度高、耐撓曲、耐化學(xué)品、價(jià)廉、易加工成型以及有高于 100 ℃的耐熱性等優(yōu)良特性，成為合成樹(shù)脂中增長(zhǎng)速度最快、新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)最為活躍的品種之一；然而由于聚丙烯的沖擊性能不好、抗外力作用差、韌性差、易老化、成型收縮率大等，在很大程度上限制了應(yīng)用[1]。近年來(lái)改性聚丙烯成為發(fā)展的主要方向，傳統(tǒng)的填充、共混、共聚、接支和交聯(lián)等聚丙烯改性方法往往只能兼顧一面（增韌降剛或增強(qiáng)降韌），而利用插層復(fù)合技術(shù)制備的層狀納米無(wú)機(jī)填料改性聚丙烯，因粒子以納米尺寸層狀分散在聚丙烯基體中，具有很強(qiáng)的界面結(jié)合力，改善了聚合物的力學(xué)性能（強(qiáng)度、剛性、韌性）、熱性能、氣體阻隔性及阻燃性能，成為當(dāng)今研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)[2,3]。

層狀納米無(wú)機(jī)填料改性聚丙烯的插層復(fù)合技術(shù)主要有溶液插層、熔融插層、原位插層聚合、固相剪切插層等方法[4]。溶液插層法需大量溶劑，污染環(huán)境[5]；聚合物熔融操作簡(jiǎn)單且無(wú)需處理過(guò)多溶劑，易于工業(yè)化，但不能很好解決非極性 PP 和極性層狀納米粒子的熱力學(xué)相容性問(wèn)題易團(tuán)聚[6]；原位插層法不消耗溶劑無(wú)污染，但工藝路線長(zhǎng)條件復(fù)雜，不適用于所有的高聚物單體[5]；固相剪切插層法利用雙輥轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生切線方向的剪切力，將納米材料剝離成片層，均勻分散在 PP 基體中，能較好地提升聚丙烯的剛度和韌性[4]。

本文采用固相剪切插層法，將具有較大初始間距可交換層間陽(yáng)離子的蒙脫土（MMT）[7]片層均勻分散在PP 基體中，制備PP/MMT 層狀納米復(fù)合材料。通過(guò)MMT 的層間距變化（XRD）、固相插層后粉料的X 射線衍射圖、注塑后樣條的X 射線衍射圖、以及用掃描電鏡（SEM）觀察MMT 在PP 中的分散性等實(shí)驗(yàn)，分析插層剝離的效果，并測(cè)試 PP/MMT復(fù)合材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度，分析其力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料和設(shè)備

原材料和設(shè)備見(jiàn)表1、2。

表1 主要原材料表Table 1 List of main raw materials

表2 主要設(shè)備表Table 2 List of main equipments

1.2 母料制備

針對(duì)用水處理前后的MMT 和OMMT 四種無(wú)機(jī)填料分別配備四份母料，其配料如表 3。母料中加入相容劑接枝馬來(lái)酸酐聚丙烯 PP-g-MAH 讓一部分接枝物吸附于蒙脫土的表面，改善蒙脫土和聚丙烯的熱力學(xué)相容性[8]。

表3 母料配料表Table 3 List of masterbatch ingredients g

1.3 工藝路線

本文將蒙脫土（MMT/OMMT）、PP、PP-g-MAH按表3 配料混合后，利用雙輥固相剪切插層使MMT剝離得到母料；然后在每份母料中加入與原母料質(zhì)量相等的PP 粒料（PP2），并添加千分之一的成核劑、抗氧劑、硬酯酸鈉，混合均勻后的片料經(jīng)TE-35 雙螺桿擠出機(jī)粉碎造粒后，把粒料放入真空干燥箱中干燥2 h（干燥溫度為70 ℃），得到PP/MMT 納米復(fù)合材料；然后利用LSD-200 直立螺桿式注塑機(jī)獲得標(biāo)準(zhǔn)試樣，最后進(jìn)行層間距變化（XRD）、分散性、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等測(cè)試與分析，其工藝路線如圖1。

圖1 工藝路線圖Fig.1 Technological flow diagram

1.4 性能測(cè)試

(1)XRD 分析：XRD 是利用 D/max ⅡA Χ 型射線衍射儀分析樣品的層間距變化，掃描電壓為 35 kV，電流為60 mA，掃描范圍為1.5°～20°，掃描速度為 8 °/min，λ＝0.154 06 nm。

(2) 掃描電子顯微鏡 SEM 分析： 采用STEREOSCAN-440 型立體掃描電子顯微鏡觀察樣品的形貌，分析MMT 在PP 中的分散性。

(3)拉伸強(qiáng)度：采用WDZ-10KN 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按GB/T1040-92 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，表征復(fù)合材料在靜載荷下的韌性，試樣60 mm×6.5 mm×3 mm。

(4)沖擊強(qiáng)度：采用 XJJ-50 型沖擊試驗(yàn)機(jī)按GB1451-83 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試沖擊強(qiáng)度，表征材料在動(dòng)載荷下的韌性，試樣60 mm×6.5 mm×3 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 水處理前后MMT 和OMMT 的XRD 分析

從圖2用水處理前后MMT的X射線衍射圖可以看出水處理后蒙脫土001晶面衍射角2θ向小角度方向偏移，由布拉格方程可以分別計(jì)算出它們對(duì)應(yīng)的層間距分別是2.168 5 nm和2.385 7 nm。說(shuō)明插層劑水分子進(jìn)入蒙脫土層間，使其層間距擴(kuò)大。

圖2 水處理前后MMT 的XRDFig.2 XRD for water treatment before and after the MMT

從圖3用水處理前后OMMT的X射線衍射圖可以看到用水處理后的OMMT的層間距比處理前略有增大，但增大程度不如MMT那么明顯，這可能是由于OMMT的層間距已經(jīng)比較大，水分子進(jìn)入后很難起到很好的膨脹效果。對(duì)比圖2和圖3可看出OMMT無(wú)論是否用水處理過(guò)其層間距都要比MMT的層間距大，說(shuō)明有機(jī)插層劑已插入MMT層間。

圖3 水處理前后OMMT 的XRDFig.3 XRD for water treatment before and after the OMMT

2.2 固相插層后粉料的X 射線衍射圖

把圖2、3 與圖4 對(duì)比看出，MMT 原有的特征峰基本消失，說(shuō)明蒙脫土基本被剝離，其中很弱的彌散峰可能是由于有部分蒙脫土團(tuán)聚引起的，圖中10o以后出現(xiàn)的峰可能是由于聚丙烯結(jié)晶形成的峰。從圖4（c）中基本看不到蒙脫土的特征峰，證明用水處理后的有機(jī)蒙脫土可以得到較好度剝離效果。

圖4 固相插層后PP/MMT 粉料的X 射線衍射圖Fig.4 X-ray diffraction of PP/MMT powder after solid state intercalation

2.3 注塑后樣條的X 射線衍射圖

從圖5 可看出注塑后的蒙脫土特征峰消失，表明熔融過(guò)程中擠出機(jī)的雙螺桿對(duì)熔融的物料有剪切力作用，可使蒙脫土在固相剪切后進(jìn)一步地剝離，使蒙脫土完全剝離。

圖5 注塑后樣條的XRDFig.5 XRD of transect after injection

2.4 MMT 在PP 中的分散性

掃描電鏡的觀察方向垂直于斷面觀察得到圖 6所示的SEM 圖片。從圖6(a)的蒙脫土掃描電鏡圖片中可以清晰的看到蒙脫土的片層結(jié)構(gòu)，以較大的團(tuán)聚體形式存在，尺寸為微米級(jí)。圖 6(b)、(c)白色層狀物是蒙脫土片層，白色氣泡可能是注塑過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。在圖 6(c)中可以看到，蒙脫土片層比較均勻的分散在 PP 機(jī)體中，在厚度方向上已達(dá)到納米級(jí)的尺度，而且沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚體，這個(gè)同X 射線衍射得到的結(jié)果（如圖 5）相一致，說(shuō)明蒙脫土經(jīng)固相剪切和雙螺桿擠出后已被成功剝離。從圖 6(c)中還可以看到蒙脫土在 PP 基體中的排列具有一定的方向性，這是由于制備樣條時(shí)，蒙脫土沿熔體流動(dòng)方向發(fā)生了取向。

圖6 注塑后樣條的XRDFig.6 SEM micrographs

2.5 力學(xué)性能測(cè)試與分析

從表4 可看出，聚丙烯/蒙脫土復(fù)合材料與純聚丙烯相比，拉伸強(qiáng)度基本持平而沖擊強(qiáng)度都有不同程度的提高。其中聚丙烯與用水處理后的有機(jī)蒙脫土復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高最大，由原來(lái)的 5.68 kJ/m2提高到了8.2 kJ/m2；而PP 與原始蒙脫土的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度提高不大，這個(gè)可能是由于聚丙烯與原始蒙脫土的相容性較差，部分原始蒙脫土團(tuán)聚，出現(xiàn)了應(yīng)力集中點(diǎn)，抵消了以納米尺寸分散的硅酸鹽片層的增強(qiáng)作用。

表4 復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of composite material

3 結(jié) 論

本文是利用固相剪切法制備PP/MMT 納米復(fù)合材料，通過(guò)雙輥的轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的剪切力使蒙脫土片層剝離，成功的制備率PP/MMT 納米復(fù)合材料。并運(yùn)用X 射線衍射和掃描電鏡表征MMT 在基體中的分散情況和取向，分析 MMT 對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響。主要得到以下結(jié)論：

(1)用水做為膨脹劑處理蒙脫土后，可使蒙脫土的層間距脹大，有利于 PP 分子的插層和蒙脫土的剝離。

(2)利用雙輥轉(zhuǎn)速差產(chǎn)生的剪切力，可使蒙脫土較好地剝離；熔融過(guò)程可使蒙脫土進(jìn)一步地完全剝離。

(3)XRD 和 SEM 的分析結(jié)果表明蒙脫土被剝離均勻分散在聚丙烯基體中，并沿流動(dòng)方向取向；蒙脫土的厚度在100 nm 以內(nèi)，達(dá)到了納米級(jí)復(fù)合。

(4)有機(jī)改性的蒙脫土與PP 基體的相容性更好，有利于復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的提高。

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