周 琦,王 勇,劉 濤,邱桂學(青島科技大學橡塑材料與工程教育部重點實驗室,山東青島266042)
作者簡介:周 琦(1982 ),女,江蘇蘇州人,青島科技大學高分子科學與工程學院在讀研究生,主要研究方向為茂金屬聚烯烴彈性體的改性。
動態硫化工藝是Gessler等[1]試圖采用氧化鋅部分硫化氯丁橡膠的方法來改善聚丙烯(PP)抗沖擊性能時首次發現的。該工藝制備的熱塑性彈性體較簡單共混物具有協調的加工方法、高的拉伸強度和使用溫度、良好的抗溶劑和耐溶脹能力。國內外研究較多的是動態硫化三元乙丙(EPDM)/PP共混物,其發展趨勢始終處于領先地位,而動態硫化POE/PP熱塑性彈性體的制備、結構和性能的研究報道甚少,對它的研究意義重大。POE是乙烯和α烯烴在茂金屬催化劑作用下聚合而成聚烯烴熱塑性彈性體,采用美國DOW化學公司自己研制的幾何構型催化劑技術開發成功[2],POE分子結構可人為控制,分子鏈飽和,采用過氧化物引發交聯。在動態硫化過程中,合理地選擇和優化硫化體系是技術關鍵。本實驗選用過氧化二異丙苯(DCP)作為交聯劑,確定了POE/PP的最佳硫化體系并研究了炭黑對動態硫化POE/PP熱塑性彈性體性能的影響。
1 實驗部分
1.1 主要原料
POE:Engage7380,美國杜邦陶氏產品;PP:K8303,熔體流動速率(MFR)為1.5 g/(10 min),北京燕山石化公司;抗氧劑1010:工業級,北京化工廠;DCP:化學純,上海埃比化學試劑有限公司;硫磺(S):工業級,市售;炭黑:N550,青島德固薩炭黑廠。
1.2 主要儀器和設備
HAKKE轉矩流變儀:RC-90,德國NETZSCH公司;平板硫化機:XQLB,青島第三橡膠機械廠;拉伸試驗機:AI 700型,臺灣高鐵科技股份有限公司;橡膠硬度計:邵氏A,上海險峰電影機械廠;熔體流動速率儀:XRL 400A/B/C/D型,承德精密試驗機有限公司;炭黑分散儀:EKT 2002MG型,曄中科技有限公司;老化試驗箱:401A,上海市試驗機械廠;耐天候老化試驗機:GT QUV/SPRAY型,高鐵檢測儀器有限公司。
1.3 雙輥開煉加工工藝的設計
采用一次投料法和母料法兩種不同的加工工藝制備POE/PP/炭黑,并比較不同加工工藝對體系性能的影響。一次投料法為:在180℃下,先將POE和炭黑混煉均勻,然后加入PP直至均勻下片;母料法為:在110℃下,將炭黑加入到POE中制得母料膠,然后升高溫度至180℃將母煉膠與PP混煉均勻。
1.4 動態硫化物的制備
將POE、PP按60/40的配比(質量比)在HAKKE轉矩流變儀中熔融共混均勻,再加入炭黑至扭矩平衡后將S和DCP依次投入,控制反應溫度為180℃,轉速為50 r/min。將動態硫化物模壓成1mm厚的片材供實驗測試,模壓溫度為185℃,壓力為10 MPa。
1.5 性能測試
熔體流動速率按GB3682—83測試,溫度為230℃,負荷為21.18 N;拉伸實驗按GB/T1040—92測試,室溫25℃,拉伸速度為500 mm/min;炭黑分散度按GB 6030—85測試;耐老化性能按GB/T3512—2001測試,老化條件為80℃×168 h;抗紫外老化性能按GB/T16585—1996測試,老化條件為50℃×168 h,紫外輻射照度為40 W/m2。
2 結果與討論
2.1 DCP用量對動態硫化POE/PP體系MFR的影響
由圖1可以看出,MFR隨交聯劑DCP用量的增加單調上升。造成這一現象的原因一方面是由于在動態硫化過程中,POE交聯并剪切細化后消除了原長鏈分子相互纏結,另一方面PP分子鏈的結構單元中存在叔碳原子,受過氧化物DCP作用時,形成的叔碳PP大分子自由基容易斷鏈,平均相對分子質量下降,分子鏈變短,在熔融流動過程中摩擦系數較低,使MFR增加。圖1顯示,當交聯劑DCP用量大于2.0份后,MFR的增幅明顯增大,當DCP用量達6.0份時,MFR得到很大的提高,可見過量交聯劑DCP對PP有著較大的降解作用。
2.2 DCP用量對動態硫化POE/PP體系力學性能的影響
從表1數據可以看出,隨DCP用量的增加,體系的斷裂伸長率、永久變形和拉伸強度呈下降趨勢,尤其是斷裂伸長率和永久變形下降明顯,其中DCP用量為6.0份,與無交聯劑相比,斷裂伸長率下降了53.66%,永久變形下降了72.3%,拉伸強度在DCP用量為2份時略有回升。拉伸強度與材料中連續相PP的分子結構有關,當DCP少量時,PP降解很少,而且POE的交聯會提高分散相的強度,表現為在DCP用量為2份時,體系的拉伸強度較好些。但隨著DCP用量的增加,交聯點密度增加,交聯點間分子量減小,不利于鏈段的熱運動和應力傳遞,同時過量的DCP會導致PP降解嚴重,因此體系拉伸性能下降。撕裂強度是衡量制品抵抗破壞能力的特性指標之一,DCP用量對POE/PP撕裂強度的影響較為復雜,先下降后上升再下降,呈反"S"型。這可能是由于DCP少量時,交聯程度很低,彌補不了DCP對體系結晶的破壞,使試樣應變能力下降,而當交聯密度過大時,試樣變脆,撕裂強度降低。
2.3 交聯助劑對動態硫化POE/PP體系力學性能的影響
實驗為了抑制PP自由基不利的副反應,提高交聯效果,在過氧化物硫化體系中加入適量交聯助劑S。從表2可以看出,加入S后體系的斷裂伸長率增加,這可能是由于S的加入,有助于在交聯的過程中生成多硫鍵,而多硫鍵的穩定性比較低,使硫化膠的變形能力增加[3]。體系拉伸強度隨S用量的增加先增加后減少,而S的加入對撕裂強度的影響不大,當m(DCP)/m(S)=2/0.2時,體系的綜合力學性能最佳。
2.4 炭黑對動態硫化POE/PP體系性能的影響
2.4.1 不同加工工藝下動態硫化POE/PP體系中炭黑的分散情況
固定炭黑用量為20份,比較不同加工工藝對體系炭黑分散情況的影響,圖2中的白點代表的是未分散的炭黑。圖2(a)為一次投料法制得的試樣,其炭黑分散度(ASTM)平均值為84.23%,圖2(b)為母料法制得的試樣,其ASTM平均值為92.37%。這進一步說明了母料法更有利于炭黑的分散,體系綜合性能得到改善。
2.4.2 加工工藝對POE/PP/炭黑硫化膠力學性能的影響
根據1.3的加工工藝制備了POE/PP/炭黑硫化膠,當炭黑用量相同時,比較一次投料法和母料法這兩種不同加工工藝,從圖3的柱狀圖可以看出,母料法加工制得的試樣強度較高。改變炭黑用量,比較這兩種加工工藝,同樣是母料法制得的試樣性能較好,因此實驗采用母料法制備硫化膠并研究炭黑用量對動態硫化POE/PP體系性能的影響。
2.4.3 炭黑用量對動態硫化POE/PP體系力學性能的影響
由圖4可以看出,體系的硬度隨炭黑用量的增大而增大,斷裂伸長率逐漸下降,拉伸強度和撕裂強度的變化趨勢都是先上升后下降。當炭黑用量為20份時,拉伸強度最佳,提高了16.6%;當炭黑用量為40份時,試樣的撕裂強度較好為108.14 kN/m;比較而言,炭黑用量對試樣的拉伸強度影響顯著。
造成這一現象的原因是炭黑加入到POE/PP體系后對體系產生兩方面的作用:一方面由于炭黑粒子的活性表面可以吸附聚合物分子鏈,形成不穩定的網狀結構,起到了較好的補強作用,而且被炭黑破壞了聚乙烯結晶點,在膠料變形時,會產生誘導結晶,增大應變能,從而使強度得到較大的改善;另一方面炭黑的加入,破壞了POE分子中聚乙烯的微晶區,使體系結晶度下降,致使共混物的斷裂能減小,同時過量炭黑會產生“稀釋效應”,此時膠料中的橡膠數量相對地減少,以致使炭黑粒子與粒子間有非常密集的接觸而不易在膠料中分散均勻,從而出現許多大顆粒的炭黑團粒,即力學缺陷增多,試樣強度和斷裂伸長率下降。
2.4.4 炭黑用量對動態硫化POE/PP體系老化性能的影響
表3為炭黑用量對硫化膠老化性能的影響。
從表3可以看出,POE/PP試樣加入少量炭黑后其耐熱老化性能有所提高,再增加炭黑用量反而不利于試樣的耐熱老化性;當炭黑用量為10份時,試樣在80℃下老化168 h后,其拉伸強度保持率為99.1%,硬度變化為1,說明試樣耐熱空氣老化優異。從抗紫外老化實驗可以看出,隨著炭黑用量的增加,試樣的抗紫外性能有明顯的改善,可見炭黑在膠料和光之間設置了一層屏障,能反射紫外光,使之不能進入膠料內部,因而炭黑是POE/PP較好的光屏蔽劑。
3 結 論
(1)在動態硫化過程中,MFR隨交聯劑DCP用量的增加單調上升,DCP的加入使體系中PP降解。隨DCP用量的增加,體系的斷裂伸長率、永久變形和拉伸強度呈下降趨勢。
(2)體系拉伸強度隨S用量的增加先升高后降低,而S的加入對撕裂強度的影響不大,當m(DCP)/m(S)=2/0.2時,體系的綜合力學性能最佳。
(3)母料法更有利于炭黑的分散,體系綜合性能得到改善。當炭黑用量為20份時,拉伸強度最佳,當炭黑用量為40份時,試樣的撕裂強度較好。
(4)炭黑的加入使體系的抗紫外性能明顯改善,而過多的炭黑不利于試樣的耐熱老化性。
參 考 文 獻:
[1] A M Gessler. Process for preparing a vulcanized blend ofcrystalline polypropylene and chlorinated butyl rubber [P].USP :3037954,1962-06-05.
[2] 黃葆同,陳偉.茂金屬催化劑及其烯烴聚合物[M].北京:化學工業出版社,2000.
[3] 張殿榮,辛振祥.現代橡膠配方設計[M].北京:化學工業出版社,2001.
