PP/ABS相容性及其碳酸鈣高填充材料力學(xué)性能研究

童緒文， 李彥濤， 楊麗庭

(華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，廣州 510006)

聚丙烯(PP)是一種用途廣泛的通用塑料，質(zhì)輕價(jià)廉，易加工[1]，而且具有較高的熱變形溫度，能在120 ℃高溫下使用，不足之處是其強(qiáng)度、剛度不夠，低溫韌性差，且成型收縮率較大.ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)比PP的力學(xué)性能優(yōu)異，可在-40～100 ℃范圍內(nèi)使用，尺寸穩(wěn)定性也較好，廣泛用于機(jī)械、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域.但其價(jià)格較高，在加工流動(dòng)性和耐熱性方面不如PP.將兩者進(jìn)行共混可以使性能互補(bǔ)，拓寬應(yīng)用范圍[2-6].然而，非極性PP和極性ABS相容性不好，需要加入一定量的相容劑，提高兩者的相容性，才能獲得性能較好的塑料合金[7-8].同時(shí)，由于石油資源的日益匱乏以及人們對(duì)于各類(lèi)制品環(huán)保的要求升高，碳酸鈣填充的塑料制品不僅能滿足人們對(duì)于環(huán)保的要求，還能降低成本，減少石油資源.近年來(lái)，采用熔融共混制備PP/CaCO3復(fù)合材料成為研究熱點(diǎn)，然而所添加的CaCO3大多含量不高[9-13]，在較高填充量時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)急劇下降. 本文采用EVA、SBS、PP-g-MAH作為相容劑，研究3種相容劑及其用量對(duì)PP/ABS(70/30)共混物和高含量活性CaCO3填充PP/ABS復(fù)合材料的加工及力學(xué)性能的影響，觀察到CaCO3填充量為60%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能仍能滿足使用要求.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚丙烯(PP)，T30S，中石化；ABS，PA-757，中石化；SBS，YH-792，中石化；活性碳酸鈣(10 μm)，蕪湖卓越納米新材料有限公司；EVA，VA900，韓國(guó)Lotte Daesan石化；PP-g-MAH，TRD-120H，儀征斯達(dá).

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向雙螺桿擠出機(jī)，CTE20，長(zhǎng)徑比36，科倍隆科亞(南京)機(jī)械有限公司；立式注塑機(jī)，KSU-250ST，今塑精密機(jī)械(東莞)；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，CMT系列，美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司；記憶式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，JJ-20，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司；熔體流動(dòng)速率儀，RL-11B1，上海斯?fàn)栠_(dá)科學(xué)儀器有限公司.

1.3 樣品制備

1.3.1 PP/ABS共混物的制備 將PP和ABS粒料按照質(zhì)量比70/30稱取，加入不同份數(shù)(0、5、10、15、20)不同種類(lèi)的相容劑(EVA、SBS、PP-g-MAH)，混合均勻，依次在雙螺桿擠出機(jī)上進(jìn)行擠出、牽引、造粒，制備PP/ABS共混物及其增容共混物.經(jīng)烘箱80 ℃烘2 h后，用立式注塑機(jī)制備標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條，在室溫放置24 h后進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試.

擠出工藝條件：機(jī)筒至口模溫度依次為165/195/195/195/180/175 ℃，主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速為20 r/min，加料螺桿轉(zhuǎn)速為30 r/min，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速為6.00 Hz；

注塑工藝條件：上節(jié)溫度200 ℃，中節(jié)溫度220 ℃，下節(jié)溫度220 ℃，PP/ABS共混物射出壓45 MPa，射二壓40 MPa，保壓40 MPa，加料壓45 MPa，保壓時(shí)間2.5 s.

1.3.2 PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的制備 稱取一定質(zhì)量的PP/ABS共混物粒料，分別加入30%、40%、50%、60%和70%活性碳酸鈣粉體，混合均勻后，采用與PP/ABS共混物相同的擠出與注塑工藝制備PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料.

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按GB/T 1040-2006測(cè)試試樣的拉伸強(qiáng)度，室溫條件下，拉伸速率為50 mm/min；按GB/T 9341-2008測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度，室溫條件下，彎曲速率為20 mm/min，撓度為15 mm；按GB/T 1843-2008測(cè)試試樣的簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度，室溫條件下，“v”型缺口，缺口深度2 mm，擺錘4 kJ；按GB/T 3682-2000測(cè)試試樣的熔體流動(dòng)速率，測(cè)試溫度230 ℃，負(fù)載質(zhì)量為2.16 kg.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類(lèi)的相容劑對(duì)PP/ABS共混物力學(xué)性能的影響

相對(duì)于EVA和SBS等2種相容劑，PP-g-MAH能有效地改善PP/ABS共混物的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度(圖1A和圖1C)，20 phr PP-g-MAH增容使共混物拉伸強(qiáng)度由25.15 MPa提高到29.24 MPa，彎曲強(qiáng)度也有一定的提高.認(rèn)為PP-g-MAH作為一種大分子相容劑，能降低共混物兩相的界面張力，提高相的分散性，增加PP與ABS間界面粘結(jié)力，在宏觀上表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的提高. 隨著相容劑含量的增加，PP/ABS的斷裂伸長(zhǎng)率均有不同程度的增加(圖1B)，尤其EVA增容共混物.顯然，柔性相容劑有利于提高共混物的斷裂伸長(zhǎng)率.PP/ABS沖擊強(qiáng)度隨著SBS用量增加而提高，對(duì)EVA影響不大，隨著PP-g-MAH用量增加而略下降.以上結(jié)果表明相容劑PP-g-MAH增容，可在保持PP/ABS共混物沖擊強(qiáng)度不大降低下，可明顯改善PP/ABS共混物的拉伸和彎曲強(qiáng)度.

2.2 PP-g-MAH用量對(duì)PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

選取相容劑PP-g-MAH制備增容PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料，研究不同用量相容劑PP-g-MAH對(duì)PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.圖2為不同含量相容劑PP-g-MAH增容40%CaCO3填充PP/ABS復(fù)合材料的力學(xué)性能.隨著PP-g-MAH用量的不斷增加，PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均是先提高后降低，高于不含相容劑復(fù)合材料的力學(xué)性能，且在PP-g-MAH為30 phr時(shí)達(dá)到最高.相對(duì)于未增容復(fù)合材料，30 phr PP-g-MAH增容PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度從18.70 MPa提高到26.54 MPa，提高了42%；彎曲強(qiáng)度從29.08 MPa提高到39.98 MPa，提高了37.5%；沖擊強(qiáng)度從4.605 kJ/m2提高到6.423 kJ/m2.顯然，相容劑PP-g-MAH加入能明顯地改善PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，且PP-g-MAH用量為30 phr時(shí)，效果最好.

圖1 不同相容劑增容PP/ABS共混物的力學(xué)性能

2.3 CaCO3用量對(duì)PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

選用30 phr PP-g-MAH加入到復(fù)合材料PP/ABS/CaCO3中，研究CaCO3填充量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.圖3表示，隨著活性CaCO3用量逐漸增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能均有所下降.這主要是因?yàn)镃aCO3填充量不斷提高，PP與CaCO3界面增多，用于增容共混物的相容劑PP-g-MAH難于再改善PP與CaCO3界面粘結(jié)，宏觀性質(zhì)表現(xiàn)為力學(xué)性能的下降，尤其活性CaCO3用量高于50%填充復(fù)合材料.當(dāng)CaCO3填充量高達(dá)50%時(shí)，PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為22.90 MPa，彎曲強(qiáng)度為38.55 MPa，沖擊強(qiáng)度為6.14 kJ/m2，仍能保持一定的力學(xué)水平.

圖3 活性CaCO3不同用量填充PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的力學(xué)性能

2.4 CaCO3用量對(duì)PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料加工流動(dòng)性能的影響

表1為不同用量活性CaCO3填充PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率.其中，PP/ABS質(zhì)量比為70/30，PP-g-MAH為30 phr.由表1可知，隨著CaCO3用量增加，PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率降低，表明復(fù)合材料的加工流動(dòng)性隨著CaCO3用量增加逐漸下降.但當(dāng)CaCO3用量為60%時(shí)，熔體流動(dòng)速率為1.8 g/10 min，仍具有較好的加工性能.

表1活性CaCO3用量對(duì)PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率的影響

Table 1 Effect of the content of active micro-sized CaCO3on melt flow rate of PP/ABS/CaCO3composites

活性碳酸鈣含量/%熔體流動(dòng)速率/(g·10-1·min-1)3010.1±0.4407.0±0.2505.7±0.1601.8±0.3700.2±0.03

3 結(jié)論

(1)3種相容劑中，PP-g-MAH對(duì)PP/ABS具有較好的增容效果，但沖擊強(qiáng)度的改善還有待提高.SBS加入使PP/ABS沖擊強(qiáng)度有較為明顯的提高，PP-g-MAH和SBS復(fù)配增容，可望達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果.

(2)當(dāng)相容劑PP-g-MAH用量為30 phr時(shí)，可使PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能均有較大提高.

(3)由于相容劑PP-g-MAH的增容作用，活性碳酸鈣用量高達(dá)60%時(shí)，PP/ABS/CaCO3復(fù)合材料仍然具有一定的力學(xué)強(qiáng)度和加工流動(dòng)性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊美珠，石光，張力，等. 新型無(wú)鹵阻燃聚丙烯的制備以及性能研究[J]. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009(3)：79-83.

Yang M Z, Shi G, Zhang L, et al. Preparation and properties of new intumescent flame retardant polypropylene[J]. Journal of South China Normal University: Natural Science Edition,2009(3):79-83.

[2] 馬曉燕, 鹿海軍, 梁國(guó)正. 聚丙烯共混改性體系力學(xué)性能研究[J]. 中國(guó)塑料,2003,17(8):24-27.

Ma X Y, Lu H J, Liang G Z. Mechanical properties of modified polypropylene blends[J]. China Plastics, 2003, 17(8):24-27.

[3] 李翠云, 李輔安. 聚丙烯共混增韌改性研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2006, 4(2):19-22.

Li C Y, Li F A. Research progress in toughening modification of polypropylene [J]. Chemical Propellants and Polymeric Materials, 2006, 4(2):19-22.

[4] 魏偉，閆赫. 我國(guó)ABS共混改性的研究進(jìn)展[J]. 塑料助劑, 2012(4):11-13.

Wei W, Yan H. Research progress on blending modification of ABS in China [J]. Plastic Additive, 2012(4):11-13.

[5] 馮紹華，左建東，黃兆閣,等. ABS/ PP相容劑的制備及應(yīng)用[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 2003, 15(6):21-25.

Feng S H, Zuo J D, Huang Z G, et al. The preparation and applications of compatibilizer in ABS/PP[J]. Modern Plastic Processing and Applications,2003, 15(6):21-25.

[6] 鄔潤(rùn)德, 徐亮成, 童筱莉，等. 交聯(lián)劑和助交聯(lián)劑對(duì)ABS/PP/CaCO3反應(yīng)性共混的影響[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2007, 21(5):901-904.

Wu R D, Xu L C, Tong X L, et al. Effect of cross-linkinger and assitant cross-linkinger on the reactive blend of ABS/PP/CaCO3[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2007, 21(5):901-904.

[7] Kum C K, Sung Y T, Kim Y S, et al. Effects of compatibilizer on mechanical, morphological and rheological properties of polypropylene/poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) blends [J]. Macromolecular Research, 2007, 15(4): 308-314.

[8] Lee H G, Sung Y T, Lee Y K, et al. Effects of PP-g-MAH on the mechanical,morphological and rheological properties of polypropylene and poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) blends [J]. Macromolecular Research, 2009, 17(6):417-423.

[9] 朱清梅，李淑華，趙研峰，等. PP/CaCO3/PP-g-AA復(fù)合材料形態(tài)與性能研究[J]. 中國(guó)塑料，2012，26(2)：46-49.

Zhu Q M, Li S H, Zhao Y F, et al. Study on morphology and properties of PP/CaCO3/PP-g-AA composites[J]. China Plastics, 2012, 26(2):46-49.

[10] 張志宏. PP/ CaCO3復(fù)合材料的力學(xué)性能研究[J]. 塑料制造，2007(z1)：46-48.

Zhang Z H. Study on the mechanical properties of PP/CaCO3composite[J]. Plastics Manufacturing, 2007(z1):46-48.

[11] 楊旸，鄔素華. 聚丙烯/碳酸鈣復(fù)合材料的性能研究[J]. 塑料，2007，36(6)：5-7.

Yang Y, Wu S H. Properties of PP/CaCO3composite[J]. Plastics, 2007, 36(6):5-7.

[12] 周世一，林金輝. CaCO3/PP復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能研究[J]. 化工新型材料，2008，36(6)：76-78.

Zhou S Y, Lin J H. Study on the preparation and mechanical properties of CaCO3/PP composite materials[J]. New Chemical Materials, 2008, 36(6):76-78.

[13] 張桂云，古建儀. 聚丙烯/碳酸鈣復(fù)合材料改性研究[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2009，21(5)：33-35.

Zhang G Y, Gu J Y. Study on modification of polypropylene/CaCO3composite[J]. Modern Plastics Processing and Application, 2009, 21(5):33-35.