耐熱抗沖PPR管材專用料的制備及其性能

張海雷

(湖北大洋塑膠有限公司,湖北 隨州,441300)

無規共聚聚丙烯(PPR)強度高、加工性能優異、較高溫度下抗蠕變性能好、透明性高,廣泛用于管材、片材、家用電器部件等領域[1]。但是,PPR材料韌性較差,尤其在低溫環境時表現出脆性,且在高溫時的熱穩定性能較差。常將彈性體與PPR共混以改善PPR的抗沖擊性能[2-4],但會導致PPR的耐壓強度和耐熱性能都明顯下降。

無機剛性粒子在PPR基體中誘發產生剪切帶和銀紋,吸收沖擊能量,同時限制PPR分子鏈段運動,提升PPR材料的耐熱性能[5]。但是,無機剛性粒子與PPR基體的相容性較差,影響其增韌作用。

以下選用具有優異耐熱性能和阻燃性能的水滑石(LDH),通過低相對分子質量聚丁烯(LMPB)對其進行表面包覆改性,使改性 LDH 在PPR基體中均勻分散,改善LDH與PPR基體的界面黏結現象,進而制備耐熱抗沖PPR管材專用料。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

PPR,4220,中國石化燕山石化公司;LDH,TM,邵陽天堂助劑化工有限公司;LMPB,PB1400,韓國大林有限公司;抗氧劑,1010,上海羚睿化工有限公司。

電子天平,FA224,上海舜宇恒平科學儀器有限公司;高速混合機,FW135,天津市泰斯特儀器有限公司;低速混合機,SHR-10,武漢怡揚塑料機械有限公司;雙螺桿擠出機, SHJ-30,南京杰恩特機電有限公司;注塑機,TTI-90Se,東華機械有限公司;簡支梁沖擊試驗機,XJFD-50,承德市東來檢測儀器有限公司;微機電子萬能試驗機,LD24.203,力試(上海)科學儀器有限公司;熔體流動速率儀(MFR),KL-MI-AP,東莞市昆侖檢測儀器有限公司;氧指數測定儀,XZT-100A,承德市科承試驗機有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR),Nicolet 380,賽默飛世爾科技(中國)有限公司;掃描電子顯微鏡(SEM),JSM-6510,日本電子株式會社。

1.2 樣品的制備

將LDH與LMPB以質量比80∶20在高速混合機中混合2 min(24 000 r/min),得到改性LDH。將PPR、改性LDH與抗氧劑按照表1配方在低速混合機中混合均勻,然后采用雙螺桿擠出機熔融擠出造粒,制備的樣品分別記為1#～6#。雙螺桿擠出機各段溫度分別為185,190,195 ℃,機頭和口模溫度分別為195 ℃和200 ℃。表1為PPR管材專用料配方。

表1 PPR管材專用料配方 kg

1.3 性能測試與表征

FTIR分析:在4 000～500 cm-1掃描。

拉伸性能按照GB/T 1040.2—2022進行測試,測定標距25 mm,拉伸速率50 mm/min,測量5次,取平均值。

沖擊性能按照HG/T 3841—2006進行測試,樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

MFR按照GB/T 3682—2000進行測試,載荷2.16 kg,溫度230 ℃。

氧指數按照GB/T 2406.2—2009進行測試,樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

維卡軟化溫度按照 GB/T 1634.2—2004進行測試,試樣尺寸為20 mm×10 mm×4 mm,升溫速率為每6 min (5.0±0. 5) ℃。

SEM分析:斷面噴金,加速電壓10 kV。

2 結果與討論

2.1 改性前后LDH的FTIR分析

圖1為LDH和改性LDH的FTIR分析。

圖1 LDH和改性LDH的FTIR分析

從圖1可以看出:改性LDH在2 960 cm-1,2 929 cm-1和2 859 cm-1處出現特征吸收振動峰,其對應于LMPB分子鏈上—CH2、—CH3的伸縮振動。可見,通過高速混合方法可成功實現LMPB對LDH表面的包覆改性。

2.2 PPR管材專用料的力學性能分析

2.2.1 PPR管材專用料的缺口沖擊強度分析

表2為PPR管材專用料的缺口沖擊強度分析。

表2 PPR管材專用料的缺口沖擊強度

從表2可以看出:隨著改性LDH含量增加,PPR管材專用料的缺口沖擊強度呈現先增大后減小的趨勢,改性LDH質量分數為5.0%時,達到最大值(24.9 kJ/m2),較未添加改性LDH的PPR管材專用料(19.8 kJ/m2)提高了25.8%。改性LDH質量分數達40.0%時,PPR管材專用料的缺口沖擊強度仍達到14.9 kJ/m2。當PPR管材專用料受到沖擊作用時,少量改性LDH能夠在PPR基體中誘發產生剪切帶和銀紋,吸收沖擊能量,使PPR管材專用料增強韌性。隨著改性LDH含量的增加,其在PPR基體中分散性變差,導致PPR管材專用料的缺口沖擊強度下降。

2.2.2 PPR管材專用料的拉伸性能分析

表3為PPR管材專用料的拉伸性能分析。

從表3可知:隨著改性LDH含量增加,PPR管材專用料的拉伸強度下降,斷裂伸長率先增加后減小;改性LDH質量分數低于5.0%時,PPR管材專用料的斷裂伸長率高于不添加改性LDH的PPR管材專用料。這是由于包覆于LDH表面的LMPB,一方面可以改善LDH在PPR基體中的分散,另一方面還起著增塑劑和增韌劑的作用,故當改性LDH質量分數低于5.0%時,PPR管材專用料的斷裂伸長率出現一定幅度的上升,隨著改性LDH含量進一步增加,其在PPR基體中團聚,導致PPR管材專用料的斷裂伸長率下降。

2.3 PPR管材專用料的MFR分析

表4為PPR管材專用料的MFR分析。

表4 PPR管材專用料的MFR分析

從表4可以看出:隨著改性LDH含量增加,PPR管材專用料的MFR逐漸減小。改性LDH質量分數高于10.0% 時,PPR管材專用料的MFR下降較為平緩。

2.4 PPR管材專用料的維卡軟化溫度分析

表5為PPR管材專用料的維卡軟化溫度分析。

表5 PPR管材專用料的維卡軟化溫度分析

從表5可以看出,隨著改性LDH含量增加,PPR管材專用料的維卡軟化溫度逐漸上升,當改性LDH質量分數高于10.0%時,其增加幅度減緩。這是由于改性LDH添加到PPR基體中,限制了PPR分子鏈段的運動,提升了PPR管材專用料的維卡軟化溫度。

2.5 PPR管材專用料的阻燃性能分析

表6 為PPR管材專用料的氧指數分析。

表6 PPR管材專用料的氧指數分析

由表6可以看出,隨著改性LDH含量增加,PPR管材專用料的氧指數增加,由未添加改性LDH的18.2%上升至改性LDH質量分數40.0%時的27.6%,達到了阻燃材料的標準。這是由于LDH受熱分解時能吸收熱量,降低燃燒體系的溫度,同時分解釋放出的水蒸氣和二氧化碳氣體能稀釋和阻隔可燃性氣體,且熱分解生成的鎂鋁氧化物與高含量PPR的聚合物基體燃燒時形成碳化物,在PPR管材專用料表面形成保護膜,阻隔了氧的進一步侵入,也起到阻燃效果。

2.6 PPR管材專用料的SEM分析

圖2為PPR管材專用料的SEM分析。

圖2 PPR管材專用料斷面的SEM分析

由圖2可以看出:1#樣品(未添加改性LDH的PPR管材專用料)的沖擊斷面光滑,見圖2(a)。2#樣品(添加質量分數2.5%改性LDH的PPR管材專用料)顯示改性LDH在PPR基體中分散均勻,與PPR基體具有良好相容性。3#樣品(添加質量分數5.0%改性LDH的PPR管材專用料)可見少許團聚體。且從圖2(d)～圖2(f)可以看出,隨著改性LDH含量增加,可見的團聚體數量增多。

3 結論

a) 通過高速混合機成功實現了LMPB對LDH表面的包覆改性,改善了LDH在PPR基體中的分散程度。

b) 適量改性LDH提高了PPR管材專用料的缺口沖擊強度,改性LDH質量分數為5.0%的PPR管材專用料的缺口沖擊強度達24.9 kJ/m2,較未添加改性LDH的PPR管材專用料提升了25.8%。

c) 改性LDH顯著提升了PPR管材專用料的維卡軟化溫度和阻燃性能,改性LDH質量分數為40.0%的PPR管材專用料的維卡軟化溫度和氧指數分別達136.8 ℃和27.6%。