反應擠出制備iPB-g-GMA的工藝與性能

張攀崗 許廣通 辛超 陳駿逸 趙永仙

(青島科技大學，橡塑材料與工程教育部重點實驗室/山東省橡塑材料與工程重點實驗室，山東 青島，266042)

全同立構聚丁烯-1(iPB-1)具有優異的耐熱蠕變性、耐環境應力開裂性、良好的韌性和介電性能，但iPB-1是非極性聚合物，與極性聚合物的黏結力差，影響其在塑料改性中的應用[1]。甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)含有雙鍵和環氧基團，且毒性較低，加入共單體苯乙烯(St)輔助GMA對聚烯烴進行接枝改性，是擴展聚烯烴用途的一種常見的方法[2-5]。

研究室前期主要采用轉矩流變儀制備iPB-g-GMA并研究其相關性能，取得了系列研究成果，工業化生產iPB-g-GMA采用擠出機，其生產連續、產能高、成本較低[6-7]。下面探討反應擠出制備iPB-g-GMA的工藝條件及其性能，為工業化生產iPB-g-GMA提供理論和數據支持。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

iPB-1，全同質量分數不低于97.5%，熔體流動速率(MFR)0.65 g/10 min，山東東方宏業化工有限公司； GMA，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；St，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；過氧化二異丙苯(DCP)，化學純，上海山浦化工有限公司。

雙螺桿擠出機，SHJ-20，南京杰恩特機電有限公司；注塑機，TTI-130F2，東華機械設備有限公司；MFR儀，GT-7100-MI，萬能試驗機，GT-TCS-2000，沖擊試驗機，GT-7045-MDH，均為臺灣高鐵檢測儀器有限公司；硬度測試儀，LX-D，上海六中量儀廠；傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，Vertex70，德國Bruker公司。

1.2 擠出工藝條件

1.2.1 擠出機溫度

iPB-1，DCP，GMA，St以質量份計分別為100.0，0.6，6.0，4.4份。主機螺桿轉速為120 r/min，喂料機螺桿轉速為25 r/min。擠出機各區段溫度設定及編號情況如表1所示。

表1 擠出機各區段溫度 ℃

1.2.2 擠出機螺桿轉速

iPB-1與各單體用量同上，擠出機各區段的溫度采用3#的設定溫度。改變主機轉速，主機轉速與喂料機轉速之比固定為5，分別在主機轉速為60，80，100，120，140 r/min的條件下進行反應。

1.2.3 物料在擠出機中的反應停留時間

擠出機各區段溫度、螺桿轉速、iPB-1與各單體用量同上，在反應物開始擠出時加入少量的色母粒，通過觀察擠出物顏色的變化來記錄物料在擠出機中的反應停留時間。

1.2.4 樣品制備

將上述配方混合均勻后，在雙螺桿擠出機中反應擠出，制得接枝物。

將2 g接枝物放入燒杯中, 加入40 mL二甲苯加熱至樣品全部溶解, 然后再加入過量丙酮, 未反應的單體及其自聚物、單體和共單體仍溶于溶液, 而接枝物沉淀出來。溶解沉淀過程反復2次。沉淀物于80 ℃真空干燥24 h，用于紅外光譜測定。

將接枝物和iPB-1分別加入注塑機中，注塑機料筒的加料段、壓縮段、均化段、噴嘴的溫度分別設定為165，175，180，185 ℃,制成試樣，且室溫停放7 d以上。

1.3 測試與表征

MFR按照GB/T 3682.1—2018進行測試；拉伸性能按照GB/T 1040.1—2018進行測試，試樣為I型標準試樣；彎曲性能按照GB/T 9341—2008進行測試；懸臂梁缺口沖擊強度按照GB/T 1843—2008進行測試；邵氏D型硬度按照GB/T 2411—2008進行測試。

圖1是根據紅外光譜與酸堿滴定法計算后得到的擬合曲線[8]。橫坐標A1 730/A1 152是羰基特征峰面積與iPB-1特征峰面積之比，根據擬合曲線可以計算接枝率(Gd)。

2 結果與討論

2.1 擠出機溫度對接枝物的影響

接枝物的FTIR分析如圖2所示。

從圖2可以看出，在不同溫度下，1 730 cm-1處的峰為羰基吸收峰，700 cm-1處的峰為苯環特征峰，說明GMA和St成功接枝到iPB-1上。

主機螺桿轉速120 r/min時，擠出機溫度對接枝物Gd和MFR的影響見圖3，擠出機溫度對接枝物力學性能的影響見圖4。

由圖3可以看出，擠出溫度低時，DCP分解速率慢，反應不充分，Gd下降。適當升高擠出機各部分的溫度會使DCP分解速率加快，使Gd提高，擠出溫度190 ℃時Gd最高。溫度過高時，Gd下降。隨著擠出溫度的升高，接枝物的MFR增大。

由圖4可以看出，隨著擠出溫度的升高，iPB-1發生降解，使得接枝物拉伸性能降低，彎曲性能、缺口沖擊強度和邵氏硬度等均略有下降。

2.2 螺桿轉速對接枝物的影響

接枝物的FTIR分析如圖5所示。

從圖5可以看出，在不同轉速下，1 730 cm-1處的峰為羰基吸收峰，700 cm-1處的峰為苯環特征峰，說明GMA和St成功接枝到iPB-1上。

擠出機機頭溫度190 ℃，擠出機螺桿轉速對接枝物的Gd、MFR及力學性能的影響分別見圖6、圖7。

由圖6可以看出，螺桿轉速在60～140 r/min時，接枝物的Gd隨著螺桿轉速的增加呈現先下降后上升趨勢。螺桿轉速為60 r/min時，單體在擠出機的停留時間較長，反應能充分進行，Gd變大。隨著螺桿轉速提高，反應停留時間縮短，反應進行不充分，Gd降低。

接枝物的MFR在螺桿轉速為60 r/min時最大，隨著轉速增加而迅速減小，然后保持不變。轉速低于80 r/min時，停留時間長，iPB-1降解比較嚴重，MFR較大。增大轉速到80 r/min以上，停留時間縮短，MFR較小。

由圖7可以看出，螺桿轉速增加使接枝物彎曲性能、缺口沖擊強度等力學性能略有增強，而邵氏硬度先增大后降低。

表2是擠出機機頭溫度190 ℃，螺桿轉速120 r/min下接枝物與iPB-1力學性能。綜合來看，接枝物的力學性能有所降低，邵氏硬度有所增大。

表2 iPB-g-GMA與iPB-1的力學性能

3 結論

a) 主機螺桿轉速120 r/min，擠出溫度190 ℃時，接枝物的Gd最高。隨著擠出溫度升高，接枝物的MFR升高，而拉伸性能、彎曲性能、缺口沖擊強度、邵氏硬度等均略有降低。

b) 擠出機機頭溫度190 ℃、主機螺桿轉速60～140 r/min時，轉速對Gd影響呈現波動趨勢。轉速低于80 r/min時，iPB-1降解比較嚴重，接枝物的MFR升高，而轉速增加使接枝物的彎曲性能、缺口沖擊強度、邵氏硬度等均略有增強。