基于可視化分析的改性PP增強配方設計

孫益民，鐘明，胡獻琴，翟春海，陳海娟，張曉

（1.安徽省功能性分子固體重點實驗室，安徽省蕪湖市 241000；

2.安徽師范大學化學與材料科學學院，安徽省蕪湖市 241000）

基于可視化分析的改性PP增強配方設計

孫益民1，2，鐘明1，2，胡獻琴1，2，翟春海1，2，陳海娟1，2，張曉1，2

（1.安徽省功能性分子固體重點實驗室，安徽省蕪湖市 241000；

2.安徽師范大學化學與材料科學學院，安徽省蕪湖市 241000）

將聚丙烯（PP）、增強劑、增韌劑和接枝PP共混制備改性PP，測試了改性PP的拉伸強度和簡支梁缺口沖擊強度，運用一種自行提出的方法——可視化分析法對改性PP的拉伸強度進行了研究。拉伸強度大于80.0 MPa時，PP、增強劑、增韌劑和接枝PP共混的最優配方為：w(PP)為62%～63%，增強劑質量分數為23.0%～30.0%，增韌劑質量分數為5.0%～7.0%，接枝PP質量分數為7.3%～8.0%。

聚丙烯 改性 拉伸強度 可視化分析 配方設計

聚丙烯（PP）具有質輕、電絕緣性良好、易于加工成型、價格低廉、來源豐富、性價比高等優勢，廣泛應用于汽車領域[1]。但PP耐寒性差、低溫時易脆裂、抗沖擊性能差、制品尺寸變形率大、與其他極性聚合物和無機填料的相容性差等，限制了它的應用范圍和功能發展。可以通過各種物理和化學方法對其改性以滿足不同的需求[2]。

拉伸強度是改性PP作為結構材料必須考慮的力學參數之一[3]。為提高PP的拉伸強度，在改性工藝中，一般多參考現有的經驗配方或設計正交試驗來確定各種原料的質量比[4]。本工作針對PP的改性工藝，以實驗測得的改性PP的拉伸強度為指標，運用可視化分析[5-6]，找到較大拉伸強度時各種改性原料的適宜質量配比，并探討影響拉伸強度的因素。

1 可視化分析

在塑料加工中，配方設計是一項重要的步驟，原料配比對產品各種物理性能影響明顯。傳統的經驗配方以及正交試驗設計配方是比較常見的。可視化分析是本課題組經過長期的研究與探索提出的一種直觀、簡明的分析方法。該方法根據實驗結果，運用非線性數學模型[見式（1）]，通過圖形分析，找出達到理想指標時各個因素的合適用量區間，是一種準確可靠的實驗分析方法。

式中：xi為模型的輸入值，y為模型的計算值，wij， wj，bj，b均為模型的參數。

可視化分析的過程包括：1）分析研究要處理的問題，確定影響產品性能的因素；2）查閱文獻資料，合理設計，并準確完成實驗；3）根據實驗結果，提出合理的非線性數學模型，用實驗得到的數據擬合模型；4）根據實驗結果和模型，運用計算機軟件繪制可視化分析圖，分析并得出結論。

可視化分析法除可用于改性PP增強配方的設計外，還可用于設計其他改性高分子材料的配方，也可用于其他化工行業的工藝優化（如天然產物提取工藝）[5-6]。

2 實驗過程與分析

2.1 原料與測試

增強劑，無堿玻璃纖維（GF），ER13-2000-988A，巨石集團有限公司生產。增韌劑,聚烯烴彈性體（POE），POE8999，上海陶氏化學公司生產。馬來酸酐（MAH）接枝PP（PP-g-MAH），GPM200A，浙江寧波能之光新材料科技有限公司生產。共聚PP，3015，東莞弘耀塑膠有限公司。

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006測試；簡支梁缺口沖擊強度按GB/T1043.1—2008測試。

實驗過程：設計10種不同配方（4個因素，每個因素10個水平，見表1），通過共混和注塑成型，制備測試用改性PP試樣。

表1 按配方制備的改性PP的拉伸強度和缺口沖擊強度Tab.1Tensile strength and notched Charpy impact strength of the modified PP prepared in accordance with the formulae

2.2 可視化分析的結果

圖1a～圖1f為4個試驗因素對實驗指標（即拉伸強度）的分析，每兩個因素為一張圖，每個圖中的10個黑點為真實試驗點，圖中的光滑線條是根據可視化分析原理、借助社會科學統計軟件包和矩陣實驗室等數學計算工具，運用非線性科學知識繪制，圖中的矩形框為拉伸強度大于80.0 MPa時的理想原料用量范圍。

從圖1a可以看出：當w（GF）為9.0%～30.0%，w（POE）為5.0%～7.0%時，改性后PP拉伸強度大于80.0 MPa。隨著POE用量增加，拉伸強度減小，此結論與實際工業生產吻合。

從圖1b可以看出：隨GF和PP-g-MAH用量增大，拉伸強度會出現80.0 MPa以上的值。矩形框顯示的w（GF）為23.0%～30.0%，w（PP-g-MAH）為7.0%～10.0%。

從圖1c可看出：當w（GF）為9.0%～20.0%且w（PP）為49%～55%時出現一個較大拉伸強度的區域；當w（GF）為20.0%～30.0%且w（PP）為58%～63%時，拉伸強度也符合大于80.0 MPa的要求。

從圖1d看出：要使拉伸強度大于80.0 MPa，POE的用量必須很小，PP-g-MAH也不宜太大，即w（POE）為5.0%～7.0%，w（PP-g-MAH）為5.0%～8.0%。POE的適宜范圍與圖1a的優化范圍也較一致。

從圖1e看出：w（POE）為5.0%～7.0%，w（PP）為49%～63%時，拉伸強度大于80.0 MPa，符合要求。

從圖1f看出：w（PP-g-MAH）為7.3%～8.5%且w（PP）為62%～68%；或者w（PP-g-MAH）為8.8%～9.8%且w（PP）為59%～65%時，滿足拉伸強度大于80.0 MPa的要求。

2.3 可視化分析結果

通過可視化分析，對每種原料找到了3個適宜的用量范圍，綜合3個范圍的重合區域，各種原料的適宜用量：w（GF）為23.0%～30.0%，w（POE）為5.0%～7.0%，w（PP-g-MAH）為7.3%～8.0%，w（PP）為62%～63%，此范圍內，4種原料的總用量最小值為97.3%，最大值為108.0%，沒有出現最大值小于1或者最小值大于1的情況，進一步確定可視化分析的結果是符合實際的。

為了驗證試驗分析的準確性，在優化的區間內又增做了兩種不同配方的試樣。第一種配方w（GF）為23.5%，w（POE）為7.0%，w（PP-g-MAH）為7.5%，w（PP）為63%，測得拉伸強度為80.2 MPa；第二種配方w（GF）為25.0%，w（POE）為5.3%，w（PP-g-MAH）為7.7%，w（PP）為62%，測得拉伸強度為82.7 MPa。因此，可綜合考慮原料的成本，在此優化區間內選取最優配方。

3 結論

a）可視化分析用于改性PP增強配方的設計是成功的，可以找到理想的原料配比。

b）可視化分析法也可同時用于分析拉伸強度和簡支梁缺口沖擊強度，可以找到拉伸強度和簡支梁缺口沖擊強度都達到理想值時的最優配方。

[1]蘭黃鮮,謝冬梅,弄慶強.微型汽車保險桿專用料的研制[J].塑料科技,2010(12):65-68.

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

[3]吳寶成,蓋國勝,李建波.PP/無機粒子復合材料拉伸強度的預測模型及影響因素分析[J].合成材料老化與應用,2009,38 (4):25-30.

[4]周娟娟,姚正軍,周金堂,等.POE增韌改性回收PP的注塑成型工藝及其性能[J].機械工程材料,2009,33(10):78-82.

[5]宋文佳,孫益民,羅樂,等.辣椒紅色素提取工藝可視化分析[J].應用化工,2008,37(7):746-750.

[6]孫益民,陶偉，卞國琛，等.超臨界二氧化碳萃取辣椒堿工藝的可視化分析[J].食品科學,2011,32(18):117-122.

Formula design of reinforcement of modified PP based on visual analysis

Sun Yimin1,2,Zhong Ming1,2,Hu Xianqin1,2,Zhai Chunhai1,2,Chen Haijuan1,2,Zhang Xiao1,2

(1.Key Laboratory of Functional Molecular Solid of Anhui Province,Wuhu 241000,China;
2.College of Chemistry and Materials Science,Anhui Normal University,Wuhu 241000,China)

The authors prepared modified polypropylene(PP)by blending pure PP with reinforcing agent, toughener and grafted PP,and tested tensile strength and notched Charpy impact strength of the modified PP. A method specially devised by the authors-visual analysis-was applied to study the tensile strength.The optimal formula for producing the blend with the tensile strength over 80.0 MPa was determined,in which the mass fraction of the pure PP,reinforcing agent,toughener and grafted PP was set in the range of 62%-63%, 23.0%-30.0%,5.0%-7.0%and 7.3%-8.0%,respectively.

polypropylene;modification;tensile strength;visual analysis;formula design

TQ 325.1+4

B

1002-1396（2012）04-0018-03

2012-01-27。

2012-04-26。

孫益民，1954年生，1999年畢業于北京科技大學物理化學系，工學博士，教授，研究領域為材料科學、天然產物科學、物理化學。聯系電話：18855300562；E-mail：mysun@mail.ahnu.edu.cn。

國家自然科學基金項目(20973002)，安徽省教育廳自然科學基金重點項目(KJ2011A149)。

（編輯：吳雅榮）