《增容剂对聚丙烯共混物性能改进进展》
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摘 要：聚丙烯具有质轻,稳定性好等优点,但硬度低,力学性能差等特点限制了其在工业上的应用.一般常采用添加其他硬度高、力学性能好的高聚物来提升聚丙烯性能.然而聚丙烯和其他高聚物由于结构不同常为不相容体系,导致聚丙烯共混物的综合性能较差,因此通常采用增容剂改善两者的相容性.本文综述了常见的聚丙烯共混物,及近年来增容剂对聚丙烯混物各项性能的影响,并展望了聚丙烯共混物的研究趋势.
关键词：聚丙烯;高聚物;共混;增容;性能
引言
聚丙烯（简称PP）因具有便宜、轻质、热稳定性及抗腐蚀性强等优点而作为原材料广泛应用于交通工具、电器、电动工具等行业,另一方面,聚丙烯又具有硬度低,力学性能差等缺点,这些性能极大限制了聚丙烯的应用.工程上常通过对聚丙烯和其他的高聚物,如聚酰胺-6（简称PA6）、聚苯乙烯（简称PS）、聚乳酸（简称PLA）、聚对苯二甲酸丁二脂等,进行共混改性可以改善聚丙烯的力学性能差、低温显脆性等缺点,从而制备综合性能优异的复合材料.但聚丙烯与其他高聚物是典型的不相容体系,当聚丙烯共混物不加增容剂或不做处理时,两相界面粘接不良从而影响共混材料的综合性能.因此通常在聚丙烯共混物中加入增容剂,改善共混的分布及相界面张力,最终获得性能优异的复合材料.
1.常见的聚丙烯共混物
1、1聚丙烯/聚酰胺-6共混物
聚酰胺-6工程上也成为尼龙6,广泛应用于汽车、电子电器、机械等行业.其抗溶解性和抗冲击性能优异,但吸湿性也强,而聚丙烯具有吸水性小的特点.将二者共聚相容能克服PA6的强吸湿性.根据相容性原理,聚丙烯属于非极性聚合物,PA6属于极性聚合物,PP/PA6共混體系属典型的不相容体系.伍玉娇等[1]研究了聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）对PP/PA6共混体系的增容作用,研究发现未采用增容剂时,聚丙烯与PA6形成明显“海岛”结构.共混体系中添加PP-g-MAH后,相界面变得更加模糊,PA6相更均匀的分散在聚丙烯连续相中,且粒径大幅度减小.这说明增容剂可以提高两相黏结力,降低相界面张力,从而明显改变了共混的微观结构,提高了分散相的分散效果,使得PA6与PP两相的相容性得到明显的改善.随后,聚丙烯的接枝物不再局限于马来酸酐,聚丙烯接枝衣糠酸、丙烯酸丁酯和马来酸二丁酯等接枝共聚物被研制出来作为增容剂,用于改善PP/PA6共混体系的相容性.研究发现,这些增容剂的添加效果显著,均大大提升了PP/PA6共混物力学性能及稳定性能.
1、2聚丙烯/聚苯乙烯共混物
聚苯乙烯广泛应用于家电、办公设备等行业,与聚丙烯相反,聚苯乙烯韧性、耐热性及抗化学腐蚀性较差,但力学性能好,模量高、收缩率低.若能将这两种工程材料结合,则可克服二者的缺点,发挥二者的优势,然而,聚丙烯与聚苯乙烯为典型的不相容高聚物,主要因为二者性质不同,前者为半晶型,或者为无定型.工程上采用增溶剂来改善混合体系的相容性,对于PP/PS共混物来说,常用的增溶剂有马来酸酐、接枝共聚物、嵌段共聚物等,通过引入增溶剂,PP/PS共混物的性能得到大幅提升.尹朝清等[2]研究了不同的嵌段共聚物及接枝共聚物对PP/PS相容性能的影响,如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚丙烯接枝马来酸酐等.此外,还研究了增溶剂含量对PP/PS共聚物力学性能的影响,研究发现增溶剂对于改变冲击韧性、界面的相容性和分散性尺寸都有积极意义,其中以二嵌段共聚物苯乙烯-乙烯/丙烯这种增溶剂的改善效果最佳.可见,增溶剂的添加可同时发挥两种材料的优势.
1、3聚丙烯/聚乳酸共混物
聚乳酸力学性能好,且可完全生物降解,但昂贵,且脆性低,热稳定性及抗化学腐蚀性差,与聚乳酸相反,聚丙烯难以生物降解.从环保性和经济型的角度出发,将聚丙烯和聚乳酸共混可增加材料的生化降解性能、改善力学、脆性等性能,提高稳定性并降低成本.通常加入聚乙二醇作为增容剂来实现二者的共混.例如张爱玲等[3]在聚丙烯和聚乳酸共混物中添加聚乙二醇作为增容剂,并分析了聚乙二醇含量对共混物力学性能的影响,研究发现,当增容剂添加量为9%时,共混效果最佳,相应地,共混物的降解性能、力学性能和热学性能都得到大幅提高.因此,增容剂的添加对于聚丙烯/聚乳酸共混物性能的改善至关重要.
1、4聚丙烯/聚对苯二甲酸丁二脂共混物
聚对苯二甲酸丁二脂常用来制备纤维类物质,与聚丙烯相反,聚对苯二甲酸丁二脂为热塑性聚合物,具有优异的力学和热学性能,但抗化学腐蚀性差,且对缺口敏感性大.聚丙烯与聚对苯二甲酸丁二脂结构不同,因而二者的共混物也为不相容体系.曹亚南等[4]研究了三种不同的接枝共聚物增容剂对聚丙烯/聚对苯二甲酸丁二脂共混物的性能的提升,研究发现,添加增容剂后,共混物性能改善明显,力学性能和流变性能均得到大幅提升.
2 增容剂对聚丙烯/聚酰胺-6共混物性能的改进
2、1 增容剂对共混物力学性能的改进
共混物的力学性能是决定其应用范围的主要因素.以PP/PA6共混体系为例,聚丙烯与PA6的相容性不好,通常加入增容剂或第三组分的方法来改善体系相容性,从而提高共混物的拉伸强度、冲击强度、屈服强度等力学性能.伍玉娇等[1]研究发现,未加增容剂的PP/PA6共混物的两相间界面张力大,界面黏结力弱,随着PA6含量的增加,PP/PA6共混物的拉伸强度明显降低,而冲击强度先略有增加然后缓慢降低.Boucher等[5]发现一定条件下,高分子量的PP-g-MAH使体系的断裂韧性比含有低分子量PP-g-MAH的体系提高大约四倍.Liu[6]等在PP/PA6共混物中加入了增容剂PP-g-MAH和纳米黏土,发现增容剂能显著提高弹性模量和拉伸强度,而纳米黏土的加入能明显提高复合材料的强度.可见,增容剂可有效提升共混物的力学性能.
除了PP-g-MAH外,其他增容剂也被开发出来用来改进共混的力学性能.Kuono等[7]研究了增容剂SEBS-g-MAH和改性黏土对PP/PA6共混物力学性能的影响,发现增容剂显著提高共混物的断裂伸长率,但降低共混物的拉伸模量;而黏土的加入则会提高复合材料的拉伸模量,但显著降低了复合材料的断裂伸长率.Mazidi[8]等采用乙丙橡胶接枝马来酸酐（EPDM-g-MA）来改性PA6/PP共混物,发现共混体系的冲击韧性普遍提高,但其他力学性能相对下降.
2.2 增容剂对共混物吸水性能的改进
通过添加增容剂,共混物的吸水性能也能得到提升,其中以聚丙烯/尼龙类共聚物最为典型.以聚丙烯/尼龙6共聚物为例,PP/PA6共混中物PA6大分子长链中含有亲水性的酰胺基团,因此吸水率很高,导致共混物的强度下降,尺寸稳定性变差.孙莉等[9]发现聚丙烯的加入能使试样吸水率变小,而自制增容剂PP-g-（St-co-GMA）、PP-g-（St-co-MAH）和PP-g-（St-co-MMA）的加入能明显改善材料的耐水性.这是因为PA6的氨基和接枝物的酸酐基团会发生反应,削弱了PA6和H2O的相互作用,也改善了聚丙烯与PA6的界面粘接,从而阻滞了H2O的渗透.顾书英等[10]也发现加入聚丙烯或改性聚丙烯后PA/PP共混物的吸水率明显降低,而且改性聚丙烯对共混物吸水性的影响更大,得出了类似的结论.
2、3 增容剂对共混物流变性能的改进
聚丙烯共混物的流变性能直接影响共混物的加工性能,决定其加工的难易程度.林明德等[11]研究发现PP-g-MAH/PA6共混物的熔体粘度比纯PA6高、而其粘流活化能和非牛顿指数却更低,改善了成型加工性能.谢续明等[12]将用多组分熔融接枝法制备的增容剂PP-g-（St-co-MAH）加入到PP/PA6共混物中,发现加入聚丙烯接枝物的共混物的熔体流动速率MFR均低于未加增容剂的共混,这说明增容剂与PA6發生了化学作用.
3.结语
当前,聚丙烯由于其低廉的及优异的稳定性能得到广泛应用,但其硬度低,力学性能差.常通过添加其它力学性能优异的高聚物来进行改善.但聚丙烯与其他高聚物由于结构不同,相容性差,增容剂能显著改善聚丙烯共混物的相容性,从而改善复合材料的综合性能.虽然目前对增容剂的研究已经取得了一些成果,但是还不能满足某些领域对材料力学、生物可降解性、稳定性、流变性等各方面性能的苛刻要求.因此可以对增容剂的分子结构及对共混物改性的反应机理进行深入的研究,探索新型的官能基团和制备方法开发新的增容剂,更好地实现反应性增容,从而进一步改善聚丙烯共混物各方面的性能.
参考文献：
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[3]张爱玲,刘琪芳等,聚乳酸/聚丙烯的共混改性及热学和力学性能,沈阳工业大学学报,2019,41（2）：160-163.
[4]曹亚南,张玉芳,增容剂对聚对苯二甲酸丁二酯/聚丙烯共混体系相形态、热稳定性与流变性能影响研究,化工新型材料,2019,47（6）：147-155.
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[12]谢续明,李颖,杨讯.尼龙6/马来酸酐-苯乙烯多单体接枝聚丙烯反应共混物[J].高分子材料科学与工程,2003,19（3）：141-144.
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