PP/ABS相容性及其碳酸钙高填充材料力学性能研究

童绪文， 李彦涛， 杨丽庭

(华南师范大学化学与环境学院，广州 510006)

聚丙烯(PP)是一种用途广泛的通用塑料，质轻价廉，易加工[1]，而且具有较高的热变形温度，能在120 ℃高温下使用，不足之处是其强度、刚度不够，低温韧性差，且成型收缩率较大.ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)比PP的力学性能优异，可在-40～100 ℃范围内使用，尺寸稳定性也较好，广泛用于机械、汽车、家电等领域.但其价格较高，在加工流动性和耐热性方面不如PP.将两者进行共混可以使性能互补，拓宽应用范围[2-6].然而，非极性PP和极性ABS相容性不好，需要加入一定量的相容剂，提高两者的相容性，才能获得性能较好的塑料合金[7-8].同时，由于石油资源的日益匮乏以及人们对于各类制品环保的要求升高，碳酸钙填充的塑料制品不仅能满足人们对于环保的要求，还能降低成本，减少石油资源.近年来，采用熔融共混制备PP/CaCO3复合材料成为研究热点，然而所添加的CaCO3大多含量不高[9-13]，在较高填充量时复合材料的力学性能会急剧下降. 本文采用EVA、SBS、PP-g-MAH作为相容剂，研究3种相容剂及其用量对PP/ABS(70/30)共混物和高含量活性CaCO3填充PP/ABS复合材料的加工及力学性能的影响，观察到CaCO3填充量为60%时，复合材料的力学性能仍能满足使用要求.

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯(PP)，T30S，中石化；ABS，PA-757，中石化；SBS，YH-792，中石化；活性碳酸钙(10 μm)，芜湖卓越纳米新材料有限公司；EVA，VA900，韩国Lotte Daesan石化；PP-g-MAH，TRD-120H，仪征斯达.

1.2 主要设备及仪器

同向双螺杆挤出机，CTE20，长径比36，科倍隆科亚(南京)机械有限公司；立式注塑机，KSU-250ST，今塑精密机械(东莞)；微机控制电子万能试验机，CMT系列，美特斯工业系统(中国)有限公司；记忆式冲击试验机，JJ-20，长春市智能仪器设备有限公司；熔体流动速率仪，RL-11B1，上海斯尔达科学仪器有限公司.

1.3 样品制备

1.3.1 PP/ABS共混物的制备 将PP和ABS粒料按照质量比70/30称取，加入不同份数(0、5、10、15、20)不同种类的相容剂(EVA、SBS、PP-g-MAH)，混合均匀，依次在双螺杆挤出机上进行挤出、牵引、造粒，制备PP/ABS共混物及其增容共混物.经烘箱80 ℃烘2 h后，用立式注塑机制备标准测试样条，在室温放置24 h后进行力学性能的测试.

挤出工艺条件：机筒至口模温度依次为165/195/195/195/180/175 ℃，主机螺杆转速为20 r/min，加料螺杆转速为30 r/min，切粒机转速为6.00 Hz；

注塑工艺条件：上节温度200 ℃，中节温度220 ℃，下节温度220 ℃，PP/ABS共混物射出压45 MPa，射二压40 MPa，保压40 MPa，加料压45 MPa，保压时间2.5 s.

1.3.2 PP/ABS/CaCO3复合材料的制备 称取一定质量的PP/ABS共混物粒料，分别加入30%、40%、50%、60%和70%活性碳酸钙粉体，混合均匀后，采用与PP/ABS共混物相同的挤出与注塑工艺制备PP/ABS/CaCO3复合材料.

1.4 性能测试与结构表征

按GB/T 1040-2006测试试样的拉伸强度，室温条件下，拉伸速率为50 mm/min；按GB/T 9341-2008测试试样的弯曲强度，室温条件下，弯曲速率为20 mm/min，挠度为15 mm；按GB/T 1843-2008测试试样的简支梁缺口冲击强度，室温条件下，“v”型缺口，缺口深度2 mm，摆锤4 kJ；按GB/T 3682-2000测试试样的熔体流动速率，测试温度230 ℃，负载质量为2.16 kg.

2 结果与讨论

2.1 不同种类的相容剂对PP/ABS共混物力学性能的影响

相对于EVA和SBS等2种相容剂，PP-g-MAH能有效地改善PP/ABS共混物的拉伸强度和弯曲强度(图1A和图1C)，20 phr PP-g-MAH增容使共混物拉伸强度由25.15 MPa提高到29.24 MPa，弯曲强度也有一定的提高.认为PP-g-MAH作为一种大分子相容剂，能降低共混物两相的界面张力，提高相的分散性，增加PP与ABS间界面粘结力，在宏观上表现为拉伸强度和弯曲强度的提高. 随着相容剂含量的增加，PP/ABS的断裂伸长率均有不同程度的增加(图1B)，尤其EVA增容共混物.显然，柔性相容剂有利于提高共混物的断裂伸长率.PP/ABS冲击强度随着SBS用量增加而提高，对EVA影响不大，随着PP-g-MAH用量增加而略下降.以上结果表明相容剂PP-g-MAH增容，可在保持PP/ABS共混物冲击强度不大降低下，可明显改善PP/ABS共混物的拉伸和弯曲强度.

2.2 PP-g-MAH用量对PP/ABS/CaCO3复合材料力学性能的影响

选取相容剂PP-g-MAH制备增容PP/ABS/CaCO3复合材料，研究不同用量相容剂PP-g-MAH对PP/ABS/CaCO3复合材料力学性能的影响.图2为不同含量相容剂PP-g-MAH增容40%CaCO3填充PP/ABS复合材料的力学性能.随着PP-g-MAH用量的不断增加，PP/ABS/CaCO3复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均是先提高后降低，高于不含相容剂复合材料的力学性能，且在PP-g-MAH为30 phr时达到最高.相对于未增容复合材料，30 phr PP-g-MAH增容PP/ABS/CaCO3复合材料的拉伸强度从18.70 MPa提高到26.54 MPa，提高了42%；弯曲强度从29.08 MPa提高到39.98 MPa，提高了37.5%；冲击强度从4.605 kJ/m2提高到6.423 kJ/m2.显然，相容剂PP-g-MAH加入能明显地改善PP/ABS/CaCO3复合材料的综合力学性能，且PP-g-MAH用量为30 phr时，效果最好.

图1 不同相容剂增容PP/ABS共混物的力学性能

2.3 CaCO3用量对PP/ABS/CaCO3复合材料力学性能的影响

选用30 phr PP-g-MAH加入到复合材料PP/ABS/CaCO3中，研究CaCO3填充量对复合材料力学性能的影响.图3表示，随着活性CaCO3用量逐渐增加，复合材料的力学性能均有所下降.这主要是因为CaCO3填充量不断提高，PP与CaCO3界面增多，用于增容共混物的相容剂PP-g-MAH难于再改善PP与CaCO3界面粘结，宏观性质表现为力学性能的下降，尤其活性CaCO3用量高于50%填充复合材料.当CaCO3填充量高达50%时，PP/ABS/CaCO3复合材料的拉伸强度为22.90 MPa，弯曲强度为38.55 MPa，冲击强度为6.14 kJ/m2，仍能保持一定的力学水平.

图3 活性CaCO3不同用量填充PP/ABS/CaCO3复合材料的力学性能

2.4 CaCO3用量对PP/ABS/CaCO3复合材料加工流动性能的影响

表1为不同用量活性CaCO3填充PP/ABS/CaCO3复合材料的熔体流动速率.其中，PP/ABS质量比为70/30，PP-g-MAH为30 phr.由表1可知，随着CaCO3用量增加，PP/ABS/CaCO3复合材料的熔体流动速率降低，表明复合材料的加工流动性随着CaCO3用量增加逐渐下降.但当CaCO3用量为60%时，熔体流动速率为1.8 g/10 min，仍具有较好的加工性能.

表1活性CaCO3用量对PP/ABS/CaCO3复合材料熔体流动速率的影响

Table 1 Effect of the content of active micro-sized CaCO3on melt flow rate of PP/ABS/CaCO3composites

活性碳酸钙含量/%熔体流动速率/(g·10-1·min-1)3010.1±0.4407.0±0.2505.7±0.1601.8±0.3700.2±0.03

3 结论

(1)3种相容剂中，PP-g-MAH对PP/ABS具有较好的增容效果，但冲击强度的改善还有待提高.SBS加入使PP/ABS冲击强度有较为明显的提高，PP-g-MAH和SBS复配增容，可望达到增强增韧的效果.

(2)当相容剂PP-g-MAH用量为30 phr时，可使PP/ABS/CaCO3复合材料各项力学性能均有较大提高.

(3)由于相容剂PP-g-MAH的增容作用，活性碳酸钙用量高达60%时，PP/ABS/CaCO3复合材料仍然具有一定的力学强度和加工流动性.

参考文献：

[1] 杨美珠，石光，张力，等. 新型无卤阻燃聚丙烯的制备以及性能研究[J]. 华南师范大学学报：自然科学版,2009(3)：79-83.

Yang M Z, Shi G, Zhang L, et al. Preparation and properties of new intumescent flame retardant polypropylene[J]. Journal of South China Normal University: Natural Science Edition,2009(3):79-83.

[2] 马晓燕, 鹿海军, 梁国正. 聚丙烯共混改性体系力学性能研究[J]. 中国塑料,2003,17(8):24-27.

Ma X Y, Lu H J, Liang G Z. Mechanical properties of modified polypropylene blends[J]. China Plastics, 2003, 17(8):24-27.

[3] 李翠云, 李辅安. 聚丙烯共混增韧改性研究进展[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2006, 4(2):19-22.

Li C Y, Li F A. Research progress in toughening modification of polypropylene [J]. Chemical Propellants and Polymeric Materials, 2006, 4(2):19-22.

[4] 魏伟，闫赫. 我国ABS共混改性的研究进展[J]. 塑料助剂, 2012(4):11-13.

Wei W, Yan H. Research progress on blending modification of ABS in China [J]. Plastic Additive, 2012(4):11-13.

[5] 冯绍华，左建东，黄兆阁,等. ABS/ PP相容剂的制备及应用[J].现代塑料加工应用, 2003, 15(6):21-25.

Feng S H, Zuo J D, Huang Z G, et al. The preparation and applications of compatibilizer in ABS/PP[J]. Modern Plastic Processing and Applications,2003, 15(6):21-25.

[6] 邬润德, 徐亮成, 童筱莉，等. 交联剂和助交联剂对ABS/PP/CaCO3反应性共混的影响[J]. 高校化学工程学报, 2007, 21(5):901-904.

Wu R D, Xu L C, Tong X L, et al. Effect of cross-linkinger and assitant cross-linkinger on the reactive blend of ABS/PP/CaCO3[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2007, 21(5):901-904.

[7] Kum C K, Sung Y T, Kim Y S, et al. Effects of compatibilizer on mechanical, morphological and rheological properties of polypropylene/poly (acrylonitrile-butadiene-styrene) blends [J]. Macromolecular Research, 2007, 15(4): 308-314.

[8] Lee H G, Sung Y T, Lee Y K, et al. Effects of PP-g-MAH on the mechanical,morphological and rheological properties of polypropylene and poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) blends [J]. Macromolecular Research, 2009, 17(6):417-423.

[9] 朱清梅，李淑华，赵研峰，等. PP/CaCO3/PP-g-AA复合材料形态与性能研究[J]. 中国塑料，2012，26(2)：46-49.

Zhu Q M, Li S H, Zhao Y F, et al. Study on morphology and properties of PP/CaCO3/PP-g-AA composites[J]. China Plastics, 2012, 26(2):46-49.

[10] 张志宏. PP/ CaCO3复合材料的力学性能研究[J]. 塑料制造，2007(z1)：46-48.

Zhang Z H. Study on the mechanical properties of PP/CaCO3composite[J]. Plastics Manufacturing, 2007(z1):46-48.

[11] 杨旸，邬素华. 聚丙烯/碳酸钙复合材料的性能研究[J]. 塑料，2007，36(6)：5-7.

Yang Y, Wu S H. Properties of PP/CaCO3composite[J]. Plastics, 2007, 36(6):5-7.

[12] 周世一，林金辉. CaCO3/PP复合材料的制备及力学性能研究[J]. 化工新型材料，2008，36(6)：76-78.

Zhou S Y, Lin J H. Study on the preparation and mechanical properties of CaCO3/PP composite materials[J]. New Chemical Materials, 2008, 36(6):76-78.

[13] 张桂云，古建仪. 聚丙烯/碳酸钙复合材料改性研究[J]. 现代塑料加工应用，2009，21(5)：33-35.

Zhang G Y, Gu J Y. Study on modification of polypropylene/CaCO3composite[J]. Modern Plastics Processing and Application, 2009, 21(5):33-35.