引用本文
马丽, 王文燕, 金毅, 张怀志. β成核剂与无机填料对聚丙烯力学性能的影响[J]. 工业催化, 2017,25(7): 73-76.
Ma Li, Wang Wenyan, Jin Yi, Zhang Huaizhi. Effect of β-nucleating agent and inorganic filler on mechanical properties of polypropylene[J]. Industrial Catalysis, 2017,25(7): 73-76.  
Doi:10.3969/j.issn.1008-1143.2017.07.015
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β成核剂与无机填料对聚丙烯力学性能的影响
马丽1,*, 王文燕1, 金毅2, 张怀志1
1.中国石油石油化工研究院大庆化工研究中心,黑龙江 大庆 163714
2.中国石油大庆石化公司检测中心,黑龙江 大庆 163714
通讯联系人:马 丽。

作者简介:马 丽,女,硕士,工程师,研究方向为塑料催化剂。

收稿日期: 2017-03-09
摘要

无机填料可以提高聚丙烯的刚性、硬度、抗化学性、尺寸稳定性和气体阻隔性,同时减少聚合物的用量,降低产品成本。滑石粉和碳酸钙是聚丙烯复合材料中大量使用的两种填料。主要研究β成核剂和无机填料对聚丙烯成核效应的协同作用,考察经β成核剂FB-1分别与无机填料滑石粉和碳酸钙共同改性的聚丙烯力学性能。

关键词: 有机化学工程; 成核剂; 聚丙烯; 无机填料
中图分类号:TQ325.1+4    文献标志码:A    文章编号:1008-1143(2017)07-0073-04
Effect of β-nucleating agent and inorganic filler on mechanical properties of polypropylene
Ma Li1,*, Wang Wenyan1, Jin Yi2, Zhang Huaizhi1
1.Daqing Petrochemical Research Center,Petrochemical Research Institute of PetroChina,Daqing 163714,Heilongjiang,China
2.Testing Center,Daqing Petrochemical Company of PetroChina,Daqing 163714,Heilongjiang,China
Abstract

Inorganic fillers can improve the rigidity,hardness,chemical resistance,dimensional stability and gas barrier properties of polypropylene,while reduce the amounts of polymer and product cost.Talc and calcium carbonate are two kinds of fillers which were widely used in polypropylene composites.The synergistic effect of β-nucleating agent and inorganic filler on the nucleation effect of polypropylene was studied.The mechanical properties of polypropylene modified by β-nucleating agent FB-1,and inorganic filler talc and calcium carbonate were investigated.

Keyword: organic chemical engineering; nucleating agent; polypropylene; inorganic filler

聚丙烯作为通用型热塑性树脂, 广泛应用于注塑成型、薄膜、单丝、纤维、中空成型和挤出成型等制品。这种通用性和经济性使聚丙烯成为仅次于聚乙烯的第二大合成树脂。目前的趋势是以聚丙烯代替工程塑料用于制造汽车、家具和家电等, 以发挥其成本低廉的优势[1, 2]。

然而聚丙烯本身存在的不足限制了其应用范围, 主要是聚丙烯材料冲击强度差, 高温刚性和透明性差; 染色性、粘结性、抗静电性、亲水性以及与极性聚合物和无机填料的相容性较差; 耐老化降解性能差[3, 4], 为了改善聚丙烯的性能必须对其进行改性。

对聚丙烯进行改性的技术研究与开发非常活跃, 如嵌段共聚合、高分子量化、高结晶化、复合化、交联、形态控制等。而添加β 成核剂调控聚丙烯的结晶行为和结晶形态, 从而改善聚丙烯性能, 是有效的调控手段。而无机填料可以提高聚丙烯的刚性、硬度、抗化学性、尺寸稳定性和气体阻隔性, 同时减少聚合物的用量, 降低成本。滑石粉和碳酸钙是聚丙烯复合材料中大量使用的两种填料。本文研究β 成核剂和无机填料对聚丙烯成核效应的协同作用, 考察经过β 成核剂FB-1及滑石粉、碳酸钙共同改性的聚丙烯力学性能。

1 实验部分
1.1 原料

聚丙烯EPS30R, 大庆炼化公司; β 成核剂FB-1, 实验室自制; 滑石粉、碳酸钙, 1 250目, 上海文华化工颜料公司。

1.2 测试标准

冲击强度, ASTM D256-00; 拉伸强度, ASTM D638-00; 弯曲模量, ASTM D790-00。

2 结果与讨论
2.1 滑石粉对β -共聚聚丙烯力学性能的影响

制备β 成核剂FB-1添加量为0.3 mg· g-1的β -共聚聚丙烯, 分别添加0.3 mg· g-1、1 mg· g-1、2.5 mg· g-1和5 mg· g-1滑石粉, 考察其对β -共聚聚丙烯力学性能的影响, 结果如图1所示。由图1可以看出, 固定FB-1添加量为0.3 mg· g-1, 随着滑石粉用量增加, 改性聚丙烯的拉伸性能、弯曲性能和冲击性能均先升后降, 最后趋于平缓。加入少量滑石粉即可使拉伸强度提高, 滑石粉用量为0.3 mg· g-1时, 拉伸强度和拉伸模量相对于只添加FB-1分别提高4.8%和23.3%。加入少量滑石粉可使弯曲性能提高, 弯曲性能最大值出现在滑石粉用量为0.3 mg· g-1条件下, 其中, 弯曲强度相对于只添加FB-1的增幅为5.5%, 弯曲模量增幅为8.9%。在实验范围, 滑石粉的加入能够提高共聚聚丙烯的韧性, 使其抗冲击性能显著提高, 当滑石粉用量为0.3 mg· g-1时, 抗冲击性能达最大值, 相对于只添加FB-1的冲击强度增幅为12.1%, 选择最佳滑石粉用量为0.3 mg· g-1。

图 1 FB-1和滑石粉改性β -共聚聚丙烯的力学性能Figure 1 Mechanical properties of FB-1 and talc modified β -copolymer polypropylene

滑石粉的适量添加不仅可以和β 成核剂FB-1联合作用进一步增强β -共聚聚丙烯的韧性, 提高冲击性能, 而且还可以弥补由FB-1单一作用造成的拉伸性能和弯曲性能的下降问题。滑石粉和β 成核剂协同作用共聚聚丙烯成核改性, 具有实用价值。

2.2 碳酸钙对β -共聚聚丙烯力学性能的影响

制备β 成核剂FB-1用量为0.3 mg· g-1的β -共聚聚丙烯, 分别添加1 mg· g-1、5 mg· g-1、10 mg· g-1和40 mg· g-1碳酸钙, 考察其对β -共聚聚丙烯力学性能的影响, 结果见图2。

图 2 FB-1和碳酸钙改性β -共聚聚丙烯的力学性能Figure 2 Mechanical properties of FB-1 and calcium carbonate modified β -copolymer polypropylene

由图2可以看出, 改性聚丙烯的拉伸性能和弯曲性能均随碳酸钙含量增加先升后降, 再趋于平缓。当碳酸钙用量为5 mg· g-1时, 拉伸强度最大, 相对于只添加FB-1的拉伸强度提高5.3%; 加入碳酸钙后, 拉伸模量提高, 当碳酸钙用量为40 mg· g-1时, 拉伸模量最大, 相对于只添加FB-1的升幅为23.3%。当碳酸钙用量为1 mg· g-1, 弯曲强度和弯曲模量相对于只添加FB-1分别提高6.7%和11.0%, 弯曲性能最大值出现在碳酸钙用量为40 mg· g-1条件下。但该条件下的冲击强度大幅度下降, 相对于只添加FB-1降幅达38.3%, 表明适量添加碳酸钙可以提高β -共聚聚丙烯的韧性和抗冲击性能, 当碳酸钙用量为 1 mg· g-1时, 抗冲击强度最高, 相对于只添加FB-1提高11.0%, 表明碳酸钙用量为 1 mg· g-1是较佳刚韧平衡点。

碳酸钙的适量添加不仅和β 成核剂FB-1协同作用进一步增强共聚聚丙烯的韧性, 提高冲击性能, 而且还可以弥补由β 成核剂FB-1单一作用造成的拉伸性能和弯曲性能的下降问题, 并能够降低产品成本, 经济效益提高, 所以碳酸钙和β 成核剂协同作用共聚聚丙烯成核改性, 具有实用价值。

2.3 β 成核剂改性聚丙烯的加工稳定性

在聚丙烯的加工过程中, 挤出造粒和注塑等环节均需要高温加热, 对成核剂的热稳定性有较高要求, 同时, 由于聚丙烯β 晶型的特殊性质, 也要考虑β 晶型聚丙烯对热的稳定性。

当FB-1用量为0.25 mg· g-1时, β -共聚聚丙烯的5次升降温DSC曲线如图3所示。

图 3 FB-1添加量为0.25 mg· g-1时β -共聚聚丙烯5次升降温DSC曲线Figure 3 DSC curves of temperature rise and drop 5 times for β -copolymer polypropylene with FB-1 dosage of 0.25 mg· g-1

由图3可以看出, 共聚聚丙烯的结晶焓变化不大, 表明FB-1在共聚聚丙烯中的稳定性较好。同时从升温曲线也可以看出, β 晶型熔融峰的面积变化非常小, 表明FB-1在5次升降温过程中的活性保持不变。

当FB-1的用量为3 mg· g-1时, β -共聚聚丙烯5次升降温曲线如图4所示。由图4可见, 共聚聚丙烯结晶焓变基本没有变化, 熔融过程中β 晶型熔融焓变变化也不大, 表明即使FB-1用量较高, 生成β 晶型的活性和稳定性依然很出色。

图 4 FB-1添加量为3 mg· g-1时共聚聚丙烯5次升降温DSC曲线Figure 4 DSC curves of temperature rise and drop 5 times for β -copolymer polypropylene with FB-1 dosage of 3 mg· g-1

3 结 论

(1) 滑石粉和碳酸钙按设定比例, 分别对β -共聚聚丙烯进行二次加工, 考察β 成核剂与无机填料对共聚聚丙烯力学性能的影响。结果表明, 分别加入少量滑石粉和碳酸钙, 即可提高拉伸性能和弯曲性能, 从而弥补β 成核剂单一改性聚丙烯造成的

拉伸性能和弯曲性能下降的不足, 并使抗冲击性能有一定程度提高, 但无机填料的过量添加将会使冲击性能显著下降。

(2) 分析β -共聚聚丙烯5次升降温DSC曲线可以看出, 升温曲线的高度和峰面积变化很小, 表明结晶温度的变化很小, β 晶型聚丙烯的热稳定性和的反复加工性良好。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 何叶尔·李力. 聚丙烯树脂的加工和应用[M]. 2版. 北京: 中国石化出版社, 1998. [本文引用:1]
[2] 谢飞, 张祥福, 方舫, 等. 成核剂对增韧聚丙烯力学性能的影响[J]. 中国塑料, 2000, 14(11): 76-80.
Xie Fei, Zhang Xiangfu, Fang Fang, et al. Effect of nucleating agents on mechanical properties of toughened PP[J]. China Plastics, 2000, 14(11): 76-80. [本文引用:1]
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[4] Rengarajan R. Solid phase graft copolymerization[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1990, 39: 1783-1791. [本文引用:1]