纖維狀β成核劑對建筑用嵌段共聚聚丙烯管力學性能的影響

王中最

四川省西華大學材料科學與工程學院

纖維狀β成核劑對建筑用嵌段共聚聚丙烯管力學性能的影響

王中最

四川省西華大學材料科學與工程學院

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管在使用時面臨環向強度低和沖擊韌性差兩大難題。本文利用β成核劑自成纖，在PP-B管中構建β型雜化串晶結構，同時提高了PP-B管的沖擊韌性和環向強度，取得了良好效果。

PP-B管；纖維狀β成核劑；β型雜化串晶；力學性能

1 引言

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管已被廣泛用于建筑排水管網建設中，其安裝和使用對抗沖韌性和環向強度有較高要求。但常規PP-B管主要由各項同性α型球晶組成，易在外部應力作用下發生脆性斷裂[1]，環向強度和沖擊韌性均有待進一步提高。

控制PP-B形成能提高強度的有序片晶，和能提高韌性的β型晶體是實現PP-B力學性能改善的有效手段。聚合物晶體結構由結晶初期的晶核結構決定，在PP-B中添加成核劑，通過異相成核可實現對PP-B結晶過程的控制。Deshmukh等的研究表明，通過調控最高加熱溫度，可控制酰胺類β成核劑在聚丙烯（PP）中分別自組裝為點狀、纖維狀和樹枝狀形態，從而實現對PP晶體結構的設計[2]。本文借鑒這一基本結論，將酰胺類β成核劑TMB-5用于PP-B管的制備過程，控制TMB-5自組裝為纖維狀形態，考察其對PP-B管晶體結構與力學性能的影響。

2 樣品制備與表征

實驗原料

嵌段共聚聚丙烯（PP-B,EPS30R），中國石化獨山子分公司，溶體流動速率（MFI）1.3g/10min(230℃，2.16kg)，熔點164.7oC。

芳酰胺類β成核劑，TMB-5，中國山西省化學工業研究院。

樣品制備

采用TSSJ-25/33同向旋轉雙螺桿擠出機，在最高加熱溫度不高于190oC的條件下，熔融共混制備含0.1wt%TMB-5的PP-B原料。利用常規管材擠出機組（由單螺桿擠出機，冷卻定型設備和牽引設備組成），控制最高加熱溫度為230oC，分別在相同條件下制備含TMB-5的PP-B管和純PP-B管，樣品分別命名為CPBT和CPB。

樣品測試和表征

分別采用二維廣角X射線衍射（2D-WAXD）和散射（2DSAXS）表征PP-B管的晶體結構；采用掃描電鏡（SEM）和偏光顯微鏡（POM）觀察PP-B管的晶體形貌；采用萬能材料試驗機和落錘沖擊測試儀，分別測定PP-B管的環向抗拉強度和沖擊韌性。

3 結果和討論

PP-B分子鏈在擠出過程中受壓力流動和拉伸力場傾向于沿擠出方向排列，但伸直分子鏈極易松弛，最終導致PP-B管中無自增強作用的串晶結構生成。這一點可以從圖1中的結果得到證實。圖1a為CPB管SEM照片，由于PP-B中的橡膠相與無定形區中分子鏈不受性質穩定的晶區保護，在刻蝕過程中被優先去除。顯然，CPB管中只有向四周發散生長的球晶與均勻分散的不規則彈性相，其對應的2D-WAXD衍射圖樣亦為均勻分布的同心圓，表明CPB基體中無自增強相存在。

圖1 （a）CPB管內表面SEM照片和對應的2D-WAXD測試結果；（b）CPBT管內表面POM照片和對應2D-WAXD測試結果

與之截然不同，在PP-B中添加自組裝β成核劑TMB-5，控制最高擠出溫度為230oC，可誘導TMB-5在PP-B熔體中自組裝為纖維狀形態，并沿擠出方向定向排列，最終誘導PP-B分子鏈在其上附生生長，形成取向晶體結構，如圖1b中的POM照片所示。從對應的2D-WAXD測試結果可知，β（300）晶面對應的衍射圖樣為對稱分布的不均勻六段圓弧，證明所得取向晶體為雜化串晶結構，其表面附生的片晶有序堆積于纖維狀TMB-5兩側[3]。

圖2 對CPB和CPBT 2D-WAXD圖樣積分得到的衍射強度/2θ角曲線

表1 CPB和CPBT管中的結晶度和β晶相對含量

CPB與CPBT管中的晶體組成可通過對圖1中的2D-WAXD圖樣進行積分后得到。圖2為CPB與CPBT管的X射線衍射一維曲線。不難看出，CPBT管中的雜化串晶因在β成核劑TMB-5表面附生生長而成，而主要由β型片晶組成，在X射線譜圖上表現出極強的β（300）晶面衍射峰；與之不同，CPB管中球晶的X射線衍射結果則沒有此衍射峰存在，說明其主要由α型晶體組成。進一步利用Mjade分析軟件，對圖中各峰進行擬合，便可得出β晶相對含量與總結晶度。如表1所示，CPBT管中的β晶含量高達84.7%，而CPB管中則幾乎沒有β晶；但二者的結晶度相差不大。

綜上可知，通過控制β成核劑自成纖，成功在CPBT管中引入了β雜化串晶結構。

圖3 CPB和CPBT管的環向抗拉強度沖擊韌性

聚合物的宏觀性能與其凝聚態結構密切相關。由前述可知，PP-B管中主要由橡膠相與各向同性的α球晶組成。盡管大量文章證明PP-B中的橡膠相因為“EbP（乙烯丙烯嵌段物）”的存在而與PP基體有較好的界面相容性，但這一方面并不能避免橡膠相在連續受力的情況下脫離基體，另一方面也勢必在連續形變過程中造成界面應力集中。反應在環向拉伸強度上，CPB的環向抗拉強度較差，為15.5MPa。而CPBT管中的情況卻有明顯改變，由于纖維狀TMB-5使基體的晶體結構變為了片晶有序排列的β雜化串晶，因而CPBT管的環向抗拉強度有了明顯提高，達到20MPa，增幅達29%。此外，圖3同樣給出了CPB管與CPBT管的落錘沖擊韌性。由于均勻分散的橡膠相在受到外界沖擊作用時具有誘導微裂紋吸收能量，并阻止微裂紋進一步發展成為宏觀裂縫的能力，因此CPB管的落錘沖擊韌性高達～17J。而CPBT管中富集β雜化串晶，在β型晶體的增韌作用下進一步將該數值提高21%，達到～21J。

4 結語

本文通過對比研究，探討了纖維狀β成核劑對建筑用PP-B管力學性能的影響。結果表明，纖維狀β成核劑可誘導PP-B管中形成有序排列β雜化串晶，使PP-B管環向抗拉強度和沖擊韌性分別提高29%和21%。這一結果，將有助于提升建筑用PP-B管材的使用性能。

[1]H.B.Chen,J.Karger-Kocsis,J.S.Wu,J.Varga.Polymer 2002,43:6505.

[2]Y.S.Deshmukh,C.H.R.M.Wilsens,N.Leoné,G.Portale,J.A.W.Harings,S.Rastogi.Industrial&Engineering Chemistry Re?search 2016,55:11756.

[3]R.Han,Y.J.Lin,Q.Wang,M.Nie.Rsc Advances 2014,4:65035.

王中最（1990年生），女，新疆烏魯木齊，碩士，西華大學材料科學與工程學院，助理實驗師，主要從事高分子材料方面的研究工作。