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    聚丙烯 β 成核劑的研究進(jìn)展

    2015-12-16 02:32:43張曉龍張平生朱博超劉小燕楊春柳
    合成樹脂及塑料 2015年5期
    關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)式晶型酰胺

    張曉龍,張平生,朱博超*,劉小燕,楊春柳

    (1. 蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅省蘭州市 730070;2. 中國石油蘭州化工研究中心,甘肅省蘭州市 730060)

    聚丙烯 β 成核劑的研究進(jìn)展

    張曉龍1,張平生2,朱博超2*,劉小燕2,楊春柳1

    (1. 蘭州交通大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,甘肅省蘭州市 730070;2. 中國石油蘭州化工研究中心,甘肅省蘭州市 730060)

    綜述了近年來聚丙烯β成核劑的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了4種有機(jī)類 β 成核劑的成核效率和優(yōu)缺點(diǎn)。稠環(huán)類 β 成核劑成核效率較低,生產(chǎn)成本高,產(chǎn)品易著色,目前很少應(yīng)用;第ⅡA族金屬元素的某些鹽類及二元羧酸的復(fù)合物類 β 成核劑成核效率高,但生產(chǎn)成本較高、耐熱性差;芳香酰胺類 β 成核劑成核效率高、熱穩(wěn)定性好,但價格較高;稀土類 β 成核劑成核效率高,可使聚丙烯韌性得到大幅增強(qiáng),負(fù)荷變形溫度也明顯提高。

    聚丙烯 β 晶 β 成核劑 有機(jī)類 無機(jī)類

    聚丙烯(PP)目前是世界上產(chǎn)量最大、牌號最多、用途最廣的合成樹脂之一,具有密度小、無毒、生產(chǎn)成本低、易加工等優(yōu)點(diǎn),可制成薄膜制品、注塑制品、紡織制品、管材制品、纖維制品等,在汽車、家電、家具、包裝等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,并且還在不斷拓展新的應(yīng)用。PP的結(jié)晶形態(tài)主要包括α,β,γ 等晶型。α 晶屬于單斜晶系,是最為常見和穩(wěn)定的晶型,在通常的加工條件或添加 α 晶型成核劑都主要形成這種晶型;β 晶屬于六方晶系,是熱力學(xué)準(zhǔn)穩(wěn)定晶型,在通常的加工條件下難以獲得和保持;γ 晶屬于三斜晶系,很不穩(wěn)定,需在高壓條件下形成。其中,β 晶型PP(β-PP)因其良好的抗沖擊性能、耐負(fù)荷變形性和延展性而備受關(guān)注[1-2]。獲得 β-PP的方法主要有[3-6]:1)合適的熔融及結(jié)晶溫度和溫度梯度;2)剪切取向;3)加入 β成核劑。前兩種方法得到的 β-PP的 β 晶含量少且不穩(wěn)定,添加 β 成核劑是目前制備穩(wěn)定且 β 晶高含量 β-PP唯一經(jīng)濟(jì)可行的途徑。采用 β 成核劑對均聚PP、抗沖共聚 PP、無規(guī)共聚 PP 改性,可誘導(dǎo)生成高 β 晶含量 β-PP、顯著提高制品沖擊強(qiáng)度及負(fù)荷變形溫度,具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值[7-10]。本文綜述了近年來 β 成核劑的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展。

    1 β 成核劑的種類

    1.1 無機(jī)類

    無機(jī)類 β 成核劑主要包括 CaCO3[11-12],CaSO4[13],Ca3(PO4)2[13],Al2O3[14-15],硅灰石[16-17]等,該類成核劑能夠改善 PP 力學(xué)性能,但成核效率不理想。

    與純 PP 相比,Chan Chiming等[11]發(fā)現(xiàn),添加納米CaCO3制備的PP/CaCO3納米復(fù)合材料的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度顯著提高,且有部分 β-PP生成。Zhang Qingxin等[12]使用平均粒徑為44 nm的CaCO3制備了PP/CaCO3納米復(fù)合材料。當(dāng) w(CaCO3)為15%時,復(fù)合材料的 β 晶相對含量(Kβ)達(dá)12.4%,斷裂伸長率比純PP降低約29.7%、楊氏模量提高約14.1%、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度提高約86.7%。Mishra等[13]制備了PP/CaSO4和PP/Ca3(PO4)2納米復(fù)合材料。通過傅里葉變換紅外光譜儀分析可知,在w(CaSO4),w[Ca3(PO4)2]為0.1%~0.3%時,這兩種復(fù)合材料中均有部分 β-PP生成。隨著CaSO4,Ca3(PO4)2用量的增加,這兩種復(fù)合材料的楊氏模量均不斷增加,但拉伸強(qiáng)度則先增加后減小。Zhao Hongxia等[14]研究了PP/Al2O3納米復(fù)合材料的結(jié)晶行為和力學(xué)性能。結(jié)果表明:與純 PP 相比,復(fù)合材料的球晶減小、結(jié)晶溫度升高且有少量 β-PP生成;w(Al2O3)為0~5%時,復(fù)合材料的楊氏模量和拉伸屈服應(yīng)力均隨著Al2O3用量的增加而增加,懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度則呈先增加后減小的趨勢。

    1.2 有機(jī)類

    1.2.1 稠環(huán)類

    1967年,Leugering首次發(fā)現(xiàn)具有準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)的稠環(huán)類化合物 γ-喹吖啶酮(E3B,結(jié)構(gòu)式見圖1)能夠誘導(dǎo)β-PP生成。E3B作為 β 成核劑使用時,即使加入少量,也會導(dǎo)致產(chǎn)品變色,且得到的PP中既有 β 晶型又有大量 α 晶型生成,因此實(shí)際應(yīng)用受到限制。此后,科研工作者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)硫化二苯胺(PT)、2-巰基苯并咪唑(MBIM)、三苯二噻嗪(TPDT)、蒽(ANTR)、菲(PNTR)(結(jié)構(gòu)式見圖1)等一系列稠環(huán)類化合物對PP具有β 晶型成核效果;但是這些稠環(huán)類化合物的成核效率均不理想,加之合成困難、成本高、產(chǎn)品易著色,目前應(yīng)用較少。

    圖1 一些稠環(huán)類 β 成核劑的結(jié)構(gòu)式Fig.1 Structural formula of some fused ring β nucleating agents

    1.2.2 第ⅡA族金屬元素的某些鹽類及二元羧酸的復(fù)合物

    史觀一等[18-20]首次發(fā)現(xiàn)某些二元酸與元素周期表中第ⅡA族某些金屬化合物組成的雙組分復(fù)合物可誘導(dǎo)生成高 β 晶含量β-PP,使用該成核劑制備的β-PP的 Kβ高達(dá)85.0%以上,沖擊強(qiáng)度高于α 晶型PP兩倍以上,可廣泛用于制造抗沖擊制品、微孔膜、纖維等。

    廣東呈和科技有限公司開發(fā)了一種有機(jī)金屬鹽類高效 β 成核劑NAB-83[5,7,21](結(jié)構(gòu)式見圖2),添加該成核劑可明顯提高 β-PP的力學(xué)性能以及熱學(xué)性能。據(jù)Kang Jian等[5]報(bào)道,添加該成核劑所制PP中的 Kβ隨著冷卻速率的減小而增加。在110~130 ℃等溫結(jié)晶時PP中 Kβ最高超過97.0%,但是等溫結(jié)晶溫度為140 ℃時PP幾乎難以結(jié)晶。

    圖2 NAB-83的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structural formula of NAB-83.

    Lin Zhidan等[22]報(bào)道了一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的 β 成核劑──由庚二酸通過溶液法改性的雞蛋殼。該成核劑的 β 晶型成核能力主要由庚二酸和雞蛋殼的比例決定,采用庚二酸改性可以增強(qiáng)雞蛋殼在PP基體中的分散性和界面結(jié)合能力。在一定條件下,使用該成核劑制備的β-PP中Kβ最高可達(dá)99.0%。盡管由于該成核劑的加入,所制β-PP的拉伸性能和彎曲性能比純 PP 輕微下降,但沖擊強(qiáng)度提高約228%。該成核劑不僅成核效率高,而且經(jīng)濟(jì)環(huán)保,有望在未來得到推廣應(yīng)用。

    Zhao Shicheng等[9]制備了六氫化鄰苯二甲酸鋇(HHPA-Ba)β 成核劑。添加該成核劑后,β-PP的球晶細(xì)化、韌性顯著改善。w(HHPA-Ba)為0.4%時,β-PP中的 Kβ高達(dá)80.2%,沖擊強(qiáng)度提高約2.4倍。

    此外,庚二酸和硬脂酸鈣的復(fù)合物[23]、庚二酸鈣[24]、納米CaCO3負(fù)載庚二酸[25]、CaO負(fù)載庚二酸[26]等均可作為高效 β 成核劑使用,且這些成核劑制備的 β-PP中 Kβ均可超過89.0%。

    總之,第ⅡA族金屬元素的某些鹽類及二元羧酸的復(fù)合物作為 β 成核劑使用時成核效率相對較高,可明顯提高PP的沖擊強(qiáng)度和應(yīng)力發(fā)白度。但其生產(chǎn)成本較高、耐熱性差,目前該類成核劑尚未在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。

    1.2.3 芳香酰胺類

    日本新理化公司于1998年推出了商品名為NJ STAR NU-100的芳香酰胺類 β 成核劑,添加該成核劑后,所制β-PP中的 Kβ超過90.0%,負(fù)荷變形溫度提高15 ℃,沖擊強(qiáng)度提高數(shù)倍[27]。Menyhard 等[19]研究發(fā)現(xiàn),w(NJ STAR NU-100)為0.1%時,β-PP中的 Kβ高達(dá)93.0%。

    山西省化工研究所開發(fā)了高效取代芳酰胺類β 成核劑TMB-4,TMB-5[28](結(jié)構(gòu)式見圖3),添加該 β 成核劑制備的β-PP中的 Kβ高達(dá)90.0%[27]。王克智等[29]研究發(fā)現(xiàn),與純PP相比,w(TMB-4)為0.2%時,所制β-PP的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度提高約64.8%、負(fù)荷變形溫度提高11℃;w(TMB-5)為0.2%時,所制β-PP的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度提高約93.8%、負(fù)荷變形溫度提高25 ℃。Kang Jian 等[30]研究發(fā)現(xiàn),TMB-5是具有雙重選擇性的 β 成核劑,通常情況下添加TMB-5制備的是 β-PP,但結(jié)晶溫度稍高就會形成α晶體PP;冷卻速率越低,越利于提高 Kβ。Xiao Wenchang等[20]研究了添加TMB-5對PP結(jié)晶過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):加入TMB-5使PP的結(jié)晶速率加快、結(jié)晶時間縮短。當(dāng)w(TMB-5)為0.06%時,β-PP中 Kβ超過92.0%。但在高溫時,因?yàn)椴糠?β 晶向 α 晶轉(zhuǎn)換,Kβ降低。

    圖3 TMB-5的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.3 Structural formulae of TMB-5.

    Ma Yujie等[1]報(bào)道了一種新型 β 成核劑 N-環(huán)己基對苯二甲酸單酰胺(結(jié)構(gòu)式見圖4),研究發(fā)現(xiàn):非等溫結(jié)晶時,由該成核劑制備的β-PP中 Kβ隨著冷卻速率的增加而增加。當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、冷卻速率為40 ℃/min時,β-PP中 Kβ約達(dá)97.0%。在等溫結(jié)晶時,β 晶在80~140 ℃形成,Kβ在130 ℃時達(dá)到最大值。

    圖4 N-環(huán)己基對苯二甲酸單酰胺結(jié)構(gòu)式Fig.4 Structural formulae of N-cyclohexyl terephthalic acid monoamide.

    芳香酰胺類是第一代實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的 β 成核劑,成核效率高、增韌效果明顯、熱穩(wěn)定性好。但該類成核劑價格較高,品種不夠豐富,工業(yè)化進(jìn)程受到限制,急需開發(fā)低成本高效率的新產(chǎn)品。

    1.2.4 稀土類

    馮嘉春等[31]報(bào)道了一種稀土元素的C4~C28羧酸鹽與C4~C28羧酸和/或其衍生物按100∶(10~500)的質(zhì)量比復(fù)配而成的 β 成核劑。當(dāng)成核劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%~5.00%時,可誘導(dǎo)產(chǎn)生較高含量的β 晶。該 β 成核劑在國家863項(xiàng)目的支持下開發(fā)成為名為WBG的 β 成核劑,并且在廣東煒林納功能材料公司成功產(chǎn)業(yè)化。WBG化學(xué)式[20]為CaxLa1-x(LIG1)m(LIG2)n(其中,x和1-x是的Ca2+和La3+在復(fù)合物中的比例,LIG1和LIG2分別為二羧酸和氨基化合物配體,m和n為配位數(shù))。Xiao Wenchang 等[20]研究添加WBG對PP結(jié)晶和熔融行為的影響發(fā)現(xiàn),加入WBG后,PP的結(jié)晶速率加快、結(jié)晶時間縮短。當(dāng)w(WBG)為0.08%時,β-PP中的 Kβ超過92.0%。Kang Jian等[5]研究發(fā)現(xiàn),添加WBG所制 β-PP中的 Kβ隨著冷卻速率的提高而減小。w(WBG)為0.2%時,β-PP中的 Kβ最高可達(dá)94.4%。Kang Jian 等[32]發(fā)現(xiàn),添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%的該類成核劑時,通過調(diào)整熔融溫度和等溫結(jié)晶溫度可使 β-PP中的 Kβ最高達(dá)到95.0%。

    稀土類成核劑是我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的 β成核劑,成核效率高,可使PP韌性得到大幅增強(qiáng),負(fù)荷變形溫度也得到明顯提高,無污染且成本低,可廣泛用于管材、家電、食品包裝等領(lǐng)域。

    2 結(jié)語

    使用 β 成核劑對PP改性是目前最可靠、經(jīng)濟(jì)、易工業(yè)化的方法。隨著 β 成核劑研發(fā)的不斷深入,品種不斷增加,芳香酰胺類、稀土類等高效β 成核劑已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。今后研發(fā)新型 β 成核劑時應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1)成核效率高,可顯著提高PP抗沖擊性能;2)對其成核機(jī)理進(jìn)行深入研究,為開發(fā)高效新型 β 成核劑提供理論指導(dǎo);3)降低 β 成核劑生產(chǎn)成本是擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵;4)新型 β 成核劑的適應(yīng)性要強(qiáng),對生產(chǎn)工藝條件要求要低;5)對于自主研發(fā)的 β 成核劑要盡早申請專利,保護(hù)知識產(chǎn)權(quán);6)新型 β 成核劑應(yīng)向環(huán)保無毒方面發(fā)展;7)高效 β 成核劑的報(bào)道屢見不鮮,但是關(guān)于這些成核劑的工業(yè)化以及工業(yè)化應(yīng)用過程中的問題鮮有報(bào)道。PP生產(chǎn)商應(yīng)與 β成核劑的研發(fā)單位加強(qiáng)合作,并對這些高效 β 成核劑進(jìn)行中試放大研究,著力解決阻礙 β-PP工業(yè)化進(jìn)程的突出問題,爭取早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營。

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    Research progress in the β nucleating agent for polypropylene

    Zhang Xiaolong1, Zhang Pingsheng2, Zhu Bochao2, Liu Xiaoyan2, Yang Chunliu1

    (1. Institute of Chemical and Biological Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Lanzhou Petrochemical Research Center, Petrochina, Lanzhou 730060, China)

    The research status and progress in recent years of β nucleating agent for polypropylene were summarized. The nucleation efficiency, advantages and disadvantages of 4 kinds of organic β nucleating agents were mainly described. The fused ring β nucleating agent is rarely used at present for its lower nucleation efficiency, higher production cost and the polypropylene prepared with the fused ring β nucleating agent is easily dyed. Some salts with ⅡA metal elements and dicarboxylic acids β nucleating agents has high nucleation efficiency but high production cost and bad heat resistance. The aromatic amide β nucleating agent has high nucleation efficiency and excellent heat stability but high price. The rare earth β nucleating agent has high nucleation efficiency. The toughness of polypropylene prepared with the rare earth β nucleating agent can be greatly enhanced and the load deformation temperature can be remarkably improved.

    polypropylene; β crystal; β nucleating agent; organic class; inorganic class

    TQ 325.1+4

    A

    1002-1396(2015)-05-0068

    2015-03-27;

    2015-06-26。

    張曉龍,1989年生,在讀碩士研究生,主要從事有關(guān)聚丙烯材料的研究。聯(lián)系電話:13909461468;E-mail:zxl441845200@163.com。

    *通信聯(lián)系人。E-mail:zhubochao@petrochina.com.cn。

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