PP粉粒徑對納米粒子分散性能影響的研究

黃偉江，田瑤珠，2＊，秦 軍，羅 筑，2，陳夢喻

（1.貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽550003；2.國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心，貴州 貴陽550003；3.教育部喀斯特重點實驗室，貴州 貴陽550003）

PP粉粒徑對納米粒子分散性能影響的研究

黃偉江1，田瑤珠1，2＊，秦 軍2，3，羅 筑1，2，陳夢喻3

（1.貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽550003；2.國家復合改性聚合物材料工程技術研究中心，貴州 貴陽550003；3.教育部喀斯特重點實驗室，貴州 貴陽550003）

利用凝膠滲透色譜儀對不同粒徑聚丙烯（PP）粉的相對分子質量及其分布和平均表面積進行測試，通過透射電子顯微鏡對硅溶膠納米SiO2粒子在不同粒徑PP粉中的分散性能進行了表征，并討論了PP粉的粒徑大小對硅溶膠納米SiO2粒子分散性能的影響。結果表明，PP粉粒徑大小對硅溶膠納米SiO2粒子在基體中的分散性能有顯著影響，聚合物黏度對納米SiO2粒子的分散性能并無太大影響。

聚丙烯；粒徑；納米粒子；分散性能

0 前言

納米粒子在基體材料中的分散性是使基體材料產生特殊效應和應用的關鍵。目前對納米粒子在基體材料中分散性能的研究很多［1－3］，分散性能研究也是納米材料研究的關鍵技術和熱點方向［4－5］。但基體材料的粒徑大小對納米顆粒的分散影響未見研究報道。本文以粉體PP為基體原料，研究了基體材料的粒徑大小對硅溶膠納米顆粒在基體材料中的分散性能的影響，其結果對納米材料的應用有很好的啟示作用。

1 實驗部分

1.1 主要原料

均聚PP粉料，225，廣東省茂名實華聚丙烯廠；

硅溶膠，中科院地化所；

過氧化二異丙苯（DCP）、分散劑，市售。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿擠出機，TSE－40A，南京瑞亞高聚物設備有限公司；

塑料注射成型機，CJ80MZ－NCⅡ，震德塑料機械廠；

凝膠滲透色譜儀，GPC V 2000，美國Waters公司；

透射電子顯微鏡（TEM），JEM－1200EX，美國 TA公司；

熔體流動速率儀，XRL－400，廣東震德塑料機械有限公司；

激光粒度儀，Zetasizer Nano ZS，英國 Malvern公司。

1.3 樣品制備

將PP粉過篩分級，粒徑依次為830、380、212、113、50μm。將分級后的PP粉料分別與適量的硅溶膠和分散劑充分混合，然后加入到雙螺桿擠出機中，于170～220℃下擠出造粒，再于注塑機中注塑出樣條，分別標記為1＃、2＃、3＃、4＃、5＃；

在混有硅溶膠的PP粉中分別加入0、0.2%（質量分數，下同）、0.5%、0.8%的降解劑DCP，分別標記為6＃、7＃、8＃、9＃，待混合均勻后，加入到雙螺桿擠出機中，于170～220℃下擠出造粒，再于注塑機中注塑出樣條。

1.4 性能測試與結構表征

用激光粒度儀對硅溶膠粒徑分布進行表征；

采用凝膠色譜儀測定不同粒徑PP粉的相對分子質量及其分布，淋洗溫度為150℃，溶劑為三氯苯，校正曲線用單分散聚苯乙烯標定；

按GB/T 3682—1983在熔體流動速率儀上進行熔體流動速率測試，實驗溫度為230℃，負荷為5kg；

TEM分析：先將試樣切片，用TEM觀察納米粒子在PP基體中分散情況的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 硅溶膠粒徑分布

從圖1可以看出，硅溶膠粒徑分布有2個峰，對應的平均粒徑分別為11.98nm和264.8nm處，而平均粒徑為11.98nm的硅溶膠粒子占83%，平均粒徑為264.8nm的硅溶膠粒子占16%，納米粒子是粒徑在1～100nm范圍內的粒子，說明本實驗所用硅溶膠粒子基本屬于納米級粒子。

圖1 硅溶膠的粒度頻率分布曲線Fig.1 The distribution of particle size of silical sol

2.2 PP粉相對分子質量及其分布和平均比表面積

從表1可以看出，隨著PP粉粒徑的減小，其數均相對分子質量）逐漸減小，但減小的趨勢逐漸減緩，而重均相對分子質量（）近似呈現先下降后上升的趨勢，其相對分子質量分布規律/）則是隨著PP粉粒徑減小，相對分子質量分布逐漸變寬；隨著PP粉粒徑減小，其平均比表面積急劇減小。

表1 PP粉料的相對分子質量及其分布和平均比表面積Tab.1 The average molecular weight and its distribution and the average surface area of PP powder with different sizes

2.3 硅溶膠納米粒子對PP粉熔體流動速率的影響

由表2可以看出，添加硅溶膠納米粒子前后PP的熔體流動速率均呈上升趨勢，但明顯添加硅溶膠納米粒子之后的熔體流動速率均小于未添加的。分析可知，熔體流動速率上升的原因是PP粉粒徑在減小，其數均相對分子質量變小，導致相對分子質量分布變寬，分子間作用力減弱，體系的熔體黏度下降，因而熔體流動速率呈現上升趨勢。但由于硅溶膠納米粒子的加入，體系中硅溶膠納米粒子與PP熔體產生黏滯力，從而導致熔體黏度再次增大，因此添加硅溶膠納米粒子后的體系熔體流動速率要低一些。

表2 添加硅溶膠納米粒子前后PP粉的熔體流動速率Tab.2 Melt flow rate of PP powder with and without nanoparticles

2.4 硅溶膠納米粒子在不同粒徑PP粉中的分散性能

從圖2可以看出，當PP粉粒徑為830μm時，納米粒子在PP基體中分散不均勻，并且出現嚴重的團聚現象，而隨著PP粉粒徑的減小，納米粒子的團聚現象逐漸減少；當PP粉粒徑為113μm以下時，納米粒子能均勻地以納米顆粒分散在PP基體中。其原因在于，當PP粉粒徑較大時，其總表面積較小，納米粒子以液態溶膠的形式混入PP粉粒子表面，由于總表面積小，初始分散程度較差。而當PP粉粒子的半徑減小時，總表面積越大，其粒子與粒子的界面越來越多，所以硅溶膠中的納米粒子以更接近單個粒子的程度分散在PP粉粒子的表面和PP粉粒子與之間，其初始分散程度更好，所以當粒徑減小時，其分散更好；另一方面，由表3可以看出，隨著PP粉粒徑的減小，材料的熔體流動速率增加，即熔體黏度減小，黏度較小的PP熔體所消耗的黏性耗散能與彈性耗散能比高黏度PP熔體要少，而且更容易浸潤納米粒子，因此在外界輸入的能量一定時，低黏體系傳遞給團聚體的分散能相對就多，使得團聚體的破碎概率增大，粒子分散程度高［1］。

圖2 納米粒子在不同粒徑的PP粉中的TEM照片Fig.2 TEM microphotos for nanoparticles in PP powder with different size

2.5 硅溶膠納米粒子在不同熔體流動速率的PP粉中的分散性能

從表3可以看出，隨著降解劑DCP添加量的增加，材料的熔體流動速率提高，這主要是因為加入降解劑后，部分高分子鏈斷裂，從而使得分子間作用力減弱，分子鏈更容易運動，其黏度下降，降解劑用量增加，高分子鏈斷裂程度更大，因而材料的熔體流動速率表現為增加趨勢。

圖3 納米粒子在不同熔體流動速率的PP粉中的TEM照片Fig.3 TEM microphotos for nanoparticles in PP powder with different melt flow rate

從圖3可以看出，4個樣品中納米粒子均出現團聚現象，納米粒子在PP基體中的分散情況大致相同，說明降解劑用量對納米粒子在PP基體中的分散并無太大影響，即聚合物黏度對納米粒子在基體中的分散影響不大，所以影響納米粒子在PP基體中分散的主要因素是PP粉粒徑的大小，而由粒徑大小變化引起的比表面積增加是納米粒子在PP粉中分散性能的主要影響因素。

表3 DCP對PP粉/硅溶膠納米粒子的熔體流動速率的影響Tab.3 Melt flow rate of PP/nanoparticles with different content of degradative agent DCP

3 結論

（1）隨著PP粉粒徑的減小，其數均相對分子質量呈降低趨勢，相對分子質量分布變寬，總比表面積增大；

（2）隨著PP粉粒徑的減小，在添加納米粒子前后其熔體流動速率均呈增大趨勢；

（3）隨著PP粉料粒徑的減小，納米粒子在PP基體中分散性逐漸變好，聚合物熔體黏度對納米粒子的分散性能并無太大影響。

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Study on Influence of the Size of PP Powder on
Dispersion Behavior of Nanoparticles

HUANG Weijiang1，TIAN Yaozhu1，2＊，QIN Jun2，3，LUO Zhu1，2，CHEN Mengyu3
（1.College of Materials and Metallurgical of Guizhou University，Guiyang 550003，China；2.National Composite Modified Ploymer Materials Engineering Research Center，Guiyang 550003，China；3.Key Laboratory of Karst Drainage，Ministry of Edution，Guiyang 550003，China）

The dispersion behavior of nanoparticles in PP powder with different particle size was studied in this paper.The average molecular weight and its distribution of PP were determined using gel permeation chromatography.The specific surface area of different PP powder，and the dispersion behavior of nanoparticles in PP powder were characterized using transmission electron microscope.It showed that the particle size of PP powder had an obvious influence on the dispersion behavior of nanoparticles in the matrix，while the viscosity of the polymer had no effect on it.

polypropylene；particle size；nanoparticle；dispersion behavior

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2011）09－0066－04

2011－05－19

＊聯系人，yao＿zhutian＠126.com