弹性体增韧聚丙烯材料橡胶形貌的研究

2022-06-27赵鹏伟谷晓杰

合成材料老化与应用 2022年3期

赵鹏伟，谷晓杰，孙刚

(1上海金发科技发展有限公司,上海工程塑料功能化工程技术中心,上海 201714；2 上海大众汽车有限公司,上海 201805)

聚丙烯（PP）材料具有低密度、力学性能优良、环保无毒以及可回收等优势,在汽车、家用电器等领域得到了广泛应用[1-2]。但是纯粹的PP材料由于其分子结构以及半结晶特性,导致其低温韧性非常差,为改善聚丙烯材料的常温韧性和低温韧性,通常需要加入弹性体对PP材料进行增韧。

弹性体增韧PP材料的增韧效果与其最终在材料中的橡胶形貌高度相关。为深入研究PP材料中弹性体的橡胶形貌特点,我们选用了与PP材料相容性优异的弹性体A以及与PP材料相容性一般的弹性体B作为PP材料增韧剂,研究两种相容性不同的弹性体对于最终橡胶形貌的影响。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PP1,共聚聚丙烯材料,熔融指数(MI)为60g/10min (230℃/2.16kg),韩国SK生产；PP2：均聚聚丙烯材料,熔融指数(MI)为60g/10min(230℃/2.16kg),兰州石化生产；弹性体A：MI为13.0g/10min (190℃/2.16kg),美国科腾公司生产；弹性体B：MI为5.0g/10min(190℃/2.16kg),陶氏化学公司生产；滑石粉：3000目,广西桂林桂广滑石粉有限公司。

1.2 仪器及设备

双螺杆挤出机：SHJ-30型,南京瑞亚高聚物装备有限公司；注塑机：B-920型,浙江海天注塑机有限公司；扫描透射电子显微镜(STEM)：JEM-2100F,日本电子有限公司。

1.3 试样制备

将滑石粉、弹性体与聚丙烯进行共混挤出。挤出温度为35 、195、200、205、210、210、210、210 、205 ℃。螺杆转速为400r/min。按上述挤出参数进行单因素实验,冷却造粒后,在120℃下烘6h。

1.4 扫描透射电镜分析

扫描透射电镜（STEM）分析：样品超薄切片后,采用RuCl3染色。

2 结果与讨论

2.1 弹性体含量对PP材料橡胶形貌的影响

表1中,我们根据弹性体种类和含量的不同设计了6组配方,弹性体A与PP材料的相容性优异,弹性体B与PP材料的相容性一般。

表1 弹性体含量对PP材料橡胶形貌影响的配方设计Table 1 Formula design of the influence of elastomer content on PP material rubber morphology

分别对1#～6#材料采用扫描透射电镜进行橡胶形貌的对比测试,研究弹性体含量变化对于最终PP材料的橡胶形貌影响,结果如图1和图2所示。

图1 弹性体A含量对橡胶形貌的影响Fig.1 Relation of elastomer A content and rubber morphology

对表1中的1#～3#材料进行扫描透射电镜分析,结果如图1所示。从扫描透射电镜谱图可以发现,随着弹性体A的含量从15%逐渐增加到25%,PP材料的橡胶形貌逐渐从球状分布过渡到条状分布,并且弹性体A含量从20%增加到25%时,其橡胶形貌出现了球状到条状的转变。对表1中的4#～6#材料进行扫描透射电镜分析,具体测试结果如图2所示。从扫描透射电镜谱图可以发现,随着弹性体B的含量从15%逐渐增加到25%,PP材料的橡胶形貌逐渐从球状分布过渡到条状分布,并且弹性体B含量从15%增加到20%时,其橡胶形貌出现了球状到条状的转变。

图2 弹性体B含量对橡胶形貌的影响Fig.2 Relation of elastomer A content and rubber morphology

将图1和图2的扫描透射电镜谱图进行对比,我们可以发现,无论对于与PP树脂相容性优异的弹性体A还是与PP树脂相容性一般的弹性体B来说,随着弹性体含量的增加,其橡胶形貌都会从球状分布逐渐过渡到条状分布,这是因为橡胶含量超过一定程度,根据逾渗理论,橡胶粒子之间的间距小于临界值之后,其应力场相互重叠从而对橡胶粒子施加足够的剪切应力,造成橡胶粒子产生形貌突变。区别在于两种弹性体出现形貌突变的临界点不同,对于与PP树脂相容性优异的弹性体A,其出现橡胶形貌突变的橡胶含量临界点较高,弹性体A添加量在20%～25%之间出现了从球状到条状的形貌突变；而对于与PP树脂相容性一般的弹性体B,其出现橡胶形貌突变的橡胶含量临界点较低,弹性体A添加量在15%～20%之间便出现了从球状到条状的形貌突变。

据此我们可以推测,弹性体与PP树脂之间的相容性对最终其在PP材料中的形貌影响很大,弹性体与PP树脂的相容性越好,其形貌分布越趋向于球状分布,弹性体与PP树脂的相容性越差,其形貌分布越倾向于条状分布。

2.2 弹性体与PP树脂相容性对橡胶形貌的影响

为进一步研究弹性体与PP树脂的相容性对橡胶形貌的影响,我们选用弹性体A作为相容剂,研究其对于弹性体B增韧体系形貌的影响,设计配方见表2。其中1#和2#材料采用共聚PP树脂,2#材料在1#材料的基础上将2%的弹性体B替换成2%的弹性体A,以此改善PP树脂和弹性体B的相容性；3#和4#材料采用均聚PP树脂,4#材料在3#材料的基础上将2%的弹性体B替换成2%的弹性体A,以此改善PP树脂和弹性体B的相容性。

表2 弹性体相容性对PP材料橡胶形貌影响的配方设计Table 2 Formula design of the influence of elastomer compatibility on PP material rubber morphology

对表2中的1#、2#材料进行扫描透射电镜分析,结果如图3所示。从扫描透射电镜谱图可以发现,将共聚PP配方体系中的2%弹性体B替换成2%弹性体A之后,由于相容性得到了改善,其橡胶粒子尺度减小,并且其橡胶形貌出现了条状到球状的轻微转变。

图3 弹性体与共聚PP树脂相容性对橡胶形貌的影响Fig.3 Relation of compatibility of Co-PP/elastomer and rubber morphology

对表2中的3#、4#材料进行扫描透射电镜分析,结果如图4所示。从扫描透射电镜谱图可以发现,将均聚PP配方体系中的2%弹性体B替换成2%弹性体A之后,由于相容性得到了改善,其橡胶粒子尺度减小,并且其橡胶形貌出现了条状到球状的显著转变。

图4 弹性体与均聚PP树脂相容性对橡胶形貌的影响Fig.4 Relation of compatibility of Ho-PP/elastomer and rubber morphology

对比图3和图4的扫描透射电镜谱图,我们可以发现,无论对于共聚PP材料还是均聚PP材料,改善弹性体与PP树脂之间的相容性都会使弹性体的形貌出现条状到球状的转变,而且对于均聚PP配方体系,这种由于弹性体与PP树脂的相容性改善造成的形貌突变更为显著。这进一步证实了弹性体与PP树脂的相容性越好,其形貌越趋向于球状分布。