螺桿組合及工藝條件對玻纖增強(qiáng)回收PP性能的影響

李誠，李建軍，汪海，羅鵬，徐沖，胡志華，楊霄云，劉思揚(yáng)

（1.金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東金發(fā)科技有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511515）

聚丙烯（PP）具有優(yōu)良的耐化學(xué)腐蝕性、較好的機(jī)械性能等特點(diǎn)成為最重要的通用塑料之一，被廣泛用于汽車、家電、建筑等領(lǐng)域[1-4]，與此同時(shí)廢舊聚丙烯（RPP）也是量最大的再生塑料之一。目前最常用的物理回收方式是對廢舊PP 進(jìn)行簡單抽粒回收[5]。但是由于廢舊聚丙烯經(jīng)過長期使用后會(huì)有性能下降、顏色偏差、外觀不良等因素，往往導(dǎo)致需要降級使用或者低質(zhì)化使用[6-7]。如何對廢舊聚丙烯進(jìn)行高質(zhì)化利用，使其在回收利用過程中創(chuàng)造更高的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值是需要研究的重點(diǎn)。

玻纖增強(qiáng)聚丙烯作為一種通用熱塑性增強(qiáng)復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車、電子、家電、化工等行業(yè)[8-10]。文中選取回收的廢舊噸包料作為基材，用玻璃纖維對其進(jìn)行增強(qiáng)改性，提高廢舊聚丙烯的再生利用價(jià)值，由于廢舊聚丙烯組成成分復(fù)雜，且熱穩(wěn)定性比純聚丙烯差，不合理的加工工藝可能導(dǎo)致廢舊聚丙烯降解，產(chǎn)品性能下降，系統(tǒng)總結(jié)了玻纖增強(qiáng)廢舊聚丙烯（GF/RPP）復(fù)合材料的加工工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

廢舊聚丙烯，主要來源于洗衣機(jī)外殼，性能如表1所示，市售；

佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司；

玻璃纖維，巨石集團(tuán)；

相容劑抗氧劑等均為市售。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī)：SHJ-30，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑成型機(jī)：BT80-560T，博創(chuàng)機(jī)械股份有限公司；

二次元影像量測儀：YVM-3020，東莞源興光學(xué)儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：S-3400N，日本日立集團(tuán)；

萬能試驗(yàn)機(jī)、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（HIT5.5P 型），德國Zwick 公司。

1.3 試樣制備

玻纖增強(qiáng)RPP 復(fù)合材料的制備：將RPP、相容劑及加工助劑按一定比例加入高混機(jī)中預(yù)混，混合混勻后經(jīng)加料斗進(jìn)入擠出機(jī)，玻纖從玻纖口加入，控制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，與熔融的樹脂共混擠出造粒，雙螺桿擠出機(jī)在溫度180～240 ℃、螺桿轉(zhuǎn)速300～600 r/min 的工藝條件下擠出造粒，喂料量控制在40～60 kg/h。擠出的粒子在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)100 ℃下烘干2 h 后，在注塑機(jī)上于200 ℃條件下注塑成符合GB 測試標(biāo)準(zhǔn)的樣條。

1.4 性能測試

拉伸性能：按GB/T 1040—2006 測定，速率50 mm/min。

彎曲性能：按GB/T 9341—2008 測定，速率2 mm/min。

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度：按GB/T 1843—2008 測定，A 型缺口，常溫下測試。

彎曲性能按GB/T 9341—2008 測定。

二次元測試玻纖保留長度：取擠出成型的樣品于干鍋中，置于800 ℃的馬弗爐中燒2 h 后，將玻纖放入裝有少量蒸餾水的蒸發(fā)皿中，置于二次元顯微鏡下觀察玻纖的保留長度，放大倍數(shù)為50 倍。

SEM 分析：將復(fù)合材料的沖擊斷面噴金，利用掃描電鏡觀察斷面微觀形貌，掃描電壓15 kV，電流40 μA。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠出溫度對GF/RPP 復(fù)合材料性能的影響

表1和圖1是不同加工溫度對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響，從圖1可以看出，隨著加工溫度的上升，材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都是先增大后減小的，在加工溫度比較低時(shí)樹脂熔融不充分，玻纖在樹脂中的分散不好，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都比較低，當(dāng)溫度升高到210～220 ℃后樹脂與玻纖的浸潤變好，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大，繼續(xù)升高溫度，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度開始下降，主要是再生料樹脂有些老化，熱穩(wěn)定性沒有新料樹脂高，溫度過高導(dǎo)致部分再生料樹脂分解，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度下降。

表1 廢舊聚丙烯物性

圖1 不同加工溫度下復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度

2.2 螺桿轉(zhuǎn)速對GF/RPP 復(fù)合材料性能的影響

表2和圖2是不同螺桿轉(zhuǎn)速下玻纖增強(qiáng)再生PP的玻纖保留長度和拉伸強(qiáng)度，從表2可以看出，螺桿轉(zhuǎn)速越低，玻纖在復(fù)合材料中的保留長度越長，但是在低轉(zhuǎn)速300 r/min 時(shí)，雖然玻纖保留長度最長，但是拉伸強(qiáng)度卻是最低的，主要是由于螺桿轉(zhuǎn)速太低，導(dǎo)致很多玻纖在基體樹脂中沒有分散開，沒有起到支撐作用，轉(zhuǎn)速在400 r/min 時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，此時(shí)的玻纖在分散和分布上達(dá)到最好，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到450 r/min 后，拉伸強(qiáng)度是下降的，主要是由于螺桿轉(zhuǎn)速太高，玻纖被剪碎，玻纖保留長度也明顯降低，導(dǎo)致復(fù)合材料的強(qiáng)度下降，從圖2d 中也能明顯看到，燒掉樹脂后有很多細(xì)小的短玻纖，就是被剪碎的玻纖。

表2 不同螺桿轉(zhuǎn)速下玻纖保留長度

圖2 不同螺桿轉(zhuǎn)速玻纖長度微觀圖

2.3 螺桿組合對GF/RPP 復(fù)合材料性能的影響

螺桿組合對玻纖增強(qiáng)再生PP 材料的性能影響至關(guān)重要，在長期的生產(chǎn)實(shí)踐過程中，設(shè)計(jì)了3 種不同的螺桿組合，其中1#螺桿為弱剪切，2#螺桿為強(qiáng)剪切，3#螺桿增強(qiáng)了側(cè)喂前段的剪切，側(cè)喂后段剪切也稍微增加，整體剪切最強(qiáng)。

在擠出溫度設(shè)置在210 ～220 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為400 r/min 條件下，對比了3 套螺桿對玻纖增強(qiáng)再生PP的性能的影響。從表3和圖3的性能中可以發(fā)現(xiàn)，1#螺桿整體性能比較低，雖然玻纖保留長度高，但是由于剪切太弱，玻纖沒有在樹脂中分散好，因此整體性能比較差；2#螺桿做出的復(fù)合材料性能有明顯的提升，因?yàn)樵黾恿寺輻U剪切，玻纖的分散和分布都得到了明顯改善；3#號螺桿是剪切最強(qiáng)，樹脂在前段就得到了充分的塑化，再與玻纖接觸時(shí)通過后段螺桿的剪切，樹脂能與玻纖充分地浸潤結(jié)合，因此綜合性能最好。

表3 不同螺桿組合下玻纖增強(qiáng)再生PP 材料的性能

圖3 螺桿組合結(jié)構(gòu)示意圖

圖4是使用1#、2#、3#螺桿組合加工生產(chǎn)的玻纖增強(qiáng)再生PP 試樣斷面形貌，從圖4可以看出，1#螺桿做出的復(fù)合材料中玻纖分散不均勻，大量玻纖團(tuán)聚在一起，這是由于1#螺桿剪切比較弱導(dǎo)致；2#與3#螺桿組合做出的復(fù)合材料中玻纖分散較好。

圖4 不同螺桿組合下玻纖增強(qiáng)再生PP 復(fù)合材料SEM 形貌

3 結(jié)論

3.1 隨著加工溫度的上升，材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都是先增大后減小，溫度過高導(dǎo)致再生PP 分解，最佳加工溫度范圍為200～230 ℃。

3.2 隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，玻纖的保留長度逐漸降低，材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，在轉(zhuǎn)速超過400 r/min 后，材料的強(qiáng)度開始下降。

3.3 螺桿組合對比發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)螺桿剪切，有利于玻纖分散，對材料的性能有提升。