PC/PBT改性聚丙烯的研究

徐晶晶 　陳學(xué)剛

(青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島，266042)

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PC/PBT改性聚丙烯的研究

徐晶晶 陳學(xué)剛*

(青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島，266042)

以聚碳酸酯(PC)和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)并用且以馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)作為相容劑來改性聚丙烯(PP)，詳細(xì)研究了PC/PBT改性PP的工藝條件以及不同結(jié)構(gòu)對(duì)PP共混物性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)PC與PBT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.0%和2.5%時(shí)，改性PP共混物的拉伸強(qiáng)度為24.0 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到28.9 kJ/m2，比未改性PP的沖擊強(qiáng)度提高了7倍。同時(shí)研究了PP-g-MAH的用量對(duì)PP共混物性能影響，當(dāng)PC與PBT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.0%和5.0%時(shí)，PP-g-MAH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，共混物的缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到27.8 kJ/m2。PP-g-MAH可有效提高PC/PBT與PP之間的相容性。

聚丙烯聚碳酸酯聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯改性力學(xué)性能

聚丙烯(PP)由于其原料來源豐富、價(jià)格便宜、易于加工成型、產(chǎn)品綜合性能優(yōu)良等，因而用途非常廣泛，但仍存在一些不足之處，其中較為突出的缺點(diǎn)包括低溫易脆斷、抗蠕變性能差等[1]。為改善并提高PP的性能，以便滿足更多領(lǐng)域的使用要求，拓展其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)PP進(jìn)行改性已成為研究熱點(diǎn)。PP的改性方法主要有物理改性和化學(xué)改性2種[2-3]。使用工程塑料來改性PP，可得到韌性、強(qiáng)度和剛性均有所提高的共混物，近年來已成為拓寬PP應(yīng)用領(lǐng)域，獲得高強(qiáng)度高韌性PP的有效途徑。聚對(duì)苯二甲酸丁醇酯(PBT)因?yàn)榉肿渔溨芯哂邢鄬?duì)較長(zhǎng)的亞甲基而韌性較好，聚碳酸酯(PC)分子結(jié)構(gòu)的剛性結(jié)構(gòu)為其高強(qiáng)度提供依據(jù)，二者因?yàn)橥瑢倬埘?，極性相當(dāng),有良好的共容性?，F(xiàn)用PBT的高韌性以及PC的高剛性，將兩者并用且以聚丙烯接枝馬來酸酐(PP-g-MAH)作為相容劑來改性PP，研究PC/PBT并用改性PP的工藝條件以及不同結(jié)構(gòu)對(duì)PP性能的影響，揭示材料結(jié)構(gòu)與性能的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)PP的強(qiáng)度及韌性提高，為該類聚合物的改性提供新的思路和途徑。

1　試驗(yàn)部分

1.1主要材料

PP，K8303，均聚，大連西太平洋石油化工有限公司；PP-g-MAH，接枝率0.8%，寧波能之光新材料有限公司； PC，110，臺(tái)灣奇美；PBT，NC010，美國(guó)GE公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱，101A-1，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠；差示掃描量熱儀(DSC),DSC-204，德國(guó)Netzsch公司；熔體流動(dòng)速率(MFR)測(cè)試儀、GT-7100-MI，拉力試驗(yàn)機(jī)、GT-TCS-2000，彎曲試驗(yàn)機(jī)、GT-TCS-2000，沖擊試驗(yàn)機(jī)、GT-7045-MDH型，高鐵科技股份有限公司；平行同向雙螺桿擠出機(jī)，D36、長(zhǎng)徑比34，南京科亞機(jī)械有限公司；注塑機(jī)，130F2V，東華機(jī)械有限公司；掃描電鏡(SEM)，JSM-7500F，日本電子公司。

1.3 試樣制備

先把原料用烘箱干燥，PP在80 ℃下干燥2 h，PC放入120 ℃下干燥4 h，PBT在100 ℃下干燥8 h， PP-g-MAH在80 ℃干燥1 h。共混物按照一定的比例確定配方擠出造粒，之后注射成型。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按照GB/T 1040—1992標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，測(cè)試條件：室溫25 ℃，測(cè)試速度10 mm/min；彎曲性能按照GB/T 9341—2000標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，跨度64 mm，彎曲速度2.0 mm/min。沖擊性能按照GB/T 1043—1993標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。MFR根據(jù)GB 3682—2000標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試驗(yàn)溫度300 ℃，負(fù)荷1.200 kg。熱性能分析采用差示DSC進(jìn)行，在氮?dú)鈿夥障聫氖覝亻_始以10 ℃/min升溫，升至270 ℃后保溫5 min，再以10 ℃/min降溫。

2　結(jié)果與討論

2.1PC/PBT對(duì)PP共混物性能的影響

共混物中，以PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，通過改變PC，PBT的比例，探究PC/PBT的質(zhì)量比例對(duì)以PP為基體的共混物性能的影響。

2.1.1PC/PBT比例對(duì)PP共混物MFR的影響

表1為不同PC/PBT的質(zhì)量比對(duì)PP/PP-g-MAH/PC/PBT共混物MFR的影響。從表1可以看出，隨著PC/PBT的質(zhì)量比不斷增大，共混物的MFR總體變化趨勢(shì)為先增后減。這是由于PBT的MFR較高，其流動(dòng)性比PC的好，因此共混物的熔體流動(dòng)性好；由于當(dāng)PC/PBT的質(zhì)量比大于1時(shí)，改性劑PC的含量較多，使得共混物的熔體流動(dòng)性降低。其中，當(dāng)PC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，PBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%即PC/PBT質(zhì)量比為2∶1時(shí)，2種改性劑與PP-g-MAH在相界面間的化學(xué)反應(yīng)生成了能夠充當(dāng)相容劑的共聚物，使得分子鏈增長(zhǎng)，共混物熔體的黏度增大，因此共混物的MFR降低。

表1 不同PC/PBT比例下共混物的MFR

注：1，2，3，4，5為樣品編號(hào)，下文1，2，3，4，5樣品編號(hào)配方與此同。

2.1.2 PC/PBT對(duì)PP共混物力學(xué)性能的影響

表2給出了不同PC/PBT的質(zhì)量比對(duì)共混物力學(xué)性能的影響。從表2可以看出，隨著PC/PBT質(zhì)量比的增加，共混物的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度先逐漸增大然后降低，當(dāng)PC/PBT的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，共混物的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大。此外，PC/PBT兩者的質(zhì)量比在0.5～2.0時(shí)，共混物的缺口沖擊強(qiáng)度最大在18 kJ/m2左右，與純PP的相比提高了約5倍。隨著PC/PBT比例的增加，共混物的沖擊強(qiáng)度有降低趨勢(shì)，這是因?yàn)槭芄不煳镏蠵P-g-MAH含量的限制，PC/PBT質(zhì)量比的繼續(xù)增加，共混物中粒子的平均粒徑變大，粒徑分布變寬，分散相粒子易在PP基體內(nèi)形成缺陷，當(dāng)受到外力沖擊時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，共混物產(chǎn)生的微裂紋和塑性變形太大，進(jìn)而發(fā)展成為宏觀的應(yīng)力開裂，導(dǎo)致共混物的韌性變差，沖擊強(qiáng)度下降，同時(shí)影響到共混物的力學(xué)性能。

表2　不同PC/PBT比例下共混物的力學(xué)性能

2.2 PC/PBT用量對(duì)PP共混物性能的影響

通過分別研究PC的含量、PBT的含量與以PP為基體的共混物物理性能的關(guān)系。下面確定加入PC與PBT的質(zhì)量比為2∶1，PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%，探究PC和PBT兩者的總用量與PP共混物力學(xué)性能的關(guān)系。

2.2.1 PC/PBT總用量對(duì)PP共混物MFR影響

表3為PC和PBT兩者總用量對(duì)PP共混物的MFR的影響。從表3可以看出，隨著PC/PBT兩者占共混物總含量的增加，共混物的MFR略有降低后緩慢升高，在PC/PBT兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)有所降低。

表3　不同PC和PBT總含量下共混物的MFR

注：7，8，9，10，11，12為樣品編號(hào)，下文中樣品同編號(hào)配方與此同。

2.2.2PC/PBT用量對(duì)共混物力學(xué)性能的影響

表4為PC/PBT含量的變化與共混物拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的關(guān)系。從表4可以看出，隨著PC/PBT兩者總含量的增加共混物的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有提高；對(duì)于共混物的拉伸強(qiáng)度，PC/PBT加入后，就開始呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，繼續(xù)增加兩者在共混物中的總含量后，共混物的拉伸強(qiáng)度提高得較平緩；當(dāng)兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15.0%時(shí)，共混物的彎曲強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)，隨后變化緩慢。PC/PBT加入后，在PP-g-MAH的存在下，分散相能夠很好地分散在基體相中，分散相與基體相界面間的相互作用較強(qiáng)，因此，共混物的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度均有提高。

表4 不同PC和PBT總含量下共混物的力學(xué)性能

從表4還可以看出，加入PC/PBT后，共混物的缺口沖擊強(qiáng)度有明顯的提高；在PC/PBT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～15.0%時(shí)，共混物的沖擊強(qiáng)度較好，之后繼續(xù)增加兩者的含量后，共混物的沖擊強(qiáng)度有明顯的下降。當(dāng)PC/PBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過15.0%以后，共混物中會(huì)含有較大的顆粒，分散相粒子在外力沖擊下較容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得共混物的沖擊強(qiáng)度又有所降低。

2.3 PC/PBT并用改性PP共混物相容性的研究

2.3.1共混物的熱分析

根據(jù)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(tg)可判斷共混物相容性，該方法較為簡(jiǎn)單可靠。綜合前面性能分析研究，選取綜合性能較好配比下的PP/PP-g-MAH/PC/PBT共混物進(jìn)行DSC分析，同時(shí)對(duì)未加PP-g-MAH時(shí)PP/PC/PBT共混物DSC進(jìn)行測(cè)試分析。通常共混物完全相容時(shí)會(huì)出現(xiàn)單一的tg，若出現(xiàn)相分離，共混體的DSC譜圖會(huì)間隔出現(xiàn)2個(gè)tg。下面通過共混物的tg來探究分析共混物中分散相與連續(xù)相之間的相容性。

圖1 PP/PBT為質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5%，且PC/PBT為2∶1時(shí)，PP/PP-g-MAH/PC/PBT共混物的DSC分析。從圖1(a)中放大小圖可以看出，該配比下共混物在約125 ℃時(shí)存在一個(gè)tg。一般純PBT的tg為40 ℃，純PC的tg為145 ℃，說明該配比下得到的共混物的相容性非常好，共混物分散相均勻分布在基體相中，此配方下PP-g-MAH可以有效地改善共混物的相容性，共混物的綜合性能也較好。從圖1(b)中放大小圖可以看出，在100～135 ℃時(shí)，有2個(gè)tg存在，而且共混物的2個(gè)熔融峰較明顯，說明出PC，PBT，PP之間的相界面黏結(jié)力差，共混物的相容性不好，從而影響到共混物的力學(xué)性能。

圖1　 共混物的DSC分析

2.3.2 PC/PBT并用改性PP的微觀結(jié)構(gòu)解析

圖2給出了2種不同配比下共混物沖擊斷面的SEM照片，放大倍數(shù)均為5 000倍。從圖2(a)可以看出，PP組分作為連續(xù)相形式存在，而PC/PBT是作為分散相均勻地分散在PP基體相中。相同放大倍數(shù)下，圖2(a)中分散在PP連續(xù)介質(zhì)中的PC/PBT顆粒明顯要小于圖2(b)中的分散相顆粒且分散較細(xì)微，因此，該共混物的沖擊強(qiáng)度也較大。圖2(b)是未加PP-g-MAH的共混物的沖擊斷面SEM分析，比較發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的斷面更加不平整，分散相PC/PBT中存在很多粒徑較大的顆粒，相界面間的黏結(jié)力較差。因此，PP-g-MAH的加入，能夠使PP/PC/PBT相界面間的界面張力降低，增強(qiáng)了相界面間的黏結(jié)力，從而有效地改善了它們之間的相容性，并使共混物獲得優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖2　共混試樣沖擊斷面的SEM分析

3　結(jié)論

a)當(dāng)PC/PBT的質(zhì)量比為2∶1時(shí)，共混物的熔體黏度較大，分散相與基體相之間界面黏結(jié)大，共混物的相容性較好，且此時(shí)共混物的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度提高程度較大。

b)PC與PBT以2∶1的質(zhì)量比下并用改性PP，在PC/PBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～15.0%時(shí)，共混物的相容性較好，分散相與基體相間的黏結(jié)力較強(qiáng)，力學(xué)性能有明顯的提高，尤其是缺口沖擊韌性值可達(dá)到27.8 kJ/m2。

c)通過DSC測(cè)試和SEM分析表明，PP-g-MAH的加入很好地改善了共混物分散相與連續(xù)相間的相容性。

[1]周英輝，孫剛，李志平. 聚丙烯增韌性能的研究[J]. 現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用. 2013，25(1)：17-80.

[2]劉俊，李江平. 聚丙烯的改性研究進(jìn)展[J]. 廣東化工，2010，37(1)：66-67.

[3]宣兆龍，易建政，杜仕國(guó). 聚丙烯的共混改性研究[J]. 現(xiàn)代化工.2000，2(02)：50-65.

Study on Polypropylene Modified by PC/PBT

Xu JingjingChen Xuegang

(College of Polymer Science and Technology, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao, Shandong, 266042)

PC and PBT were used together to modify PP with PP-g-MAH as compatibilizer. The influences of the process conditions of PP modified by PC/PBT and different structures on properties of PP blends were investigated in detail. The results show that when the content of PC and PBT is 5.0% and 2.5% respectively, the tensile strength of modified PP blends is 24.0 MPa. The notched impact strength is 28.9 kJ/m2, and the notched impact strength of the blends is 7 times higher than that of the unmodified PP. The effects of the amount of PP-g-MAH on the performance of the blends were also studied. When the content of PC and PBT is 10.0% and 5.0% respectively, the notched impact strength of the blends with 2.0% content of PP-g-MAH reaches 27.8 kJ/m2.PP-g-MAH can improve the compatibility between PC/PBT and PP.

polypropylene; polycarbonate; polyethylene terephthalate; modification; mechanical properties

2015-07-14;修改稿收到日期:2016-05-07。

徐晶晶，女，在讀研究生，主要研究聚合物合金。

*通信聯(lián)系人, E-mail:xgchen@qust.edu.cn。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.04.007