耐热抗冲PPR管材专用料的制备及其性能

张海雷

(湖北大洋塑胶有限公司,湖北 随州,441300)

无规共聚聚丙烯(PPR)强度高、加工性能优异、较高温度下抗蠕变性能好、透明性高,广泛用于管材、片材、家用电器部件等领域[1]。但是,PPR材料韧性较差,尤其在低温环境时表现出脆性,且在高温时的热稳定性能较差。常将弹性体与PPR共混以改善PPR的抗冲击性能[2-4],但会导致PPR的耐压强度和耐热性能都明显下降。

无机刚性粒子在PPR基体中诱发产生剪切带和银纹,吸收冲击能量,同时限制PPR分子链段运动,提升PPR材料的耐热性能[5]。但是,无机刚性粒子与PPR基体的相容性较差,影响其增韧作用。

以下选用具有优异耐热性能和阻燃性能的水滑石(LDH),通过低相对分子质量聚丁烯(LMPB)对其进行表面包覆改性,使改性 LDH 在PPR基体中均匀分散,改善LDH与PPR基体的界面黏结现象,进而制备耐热抗冲PPR管材专用料。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PPR,4220,中国石化燕山石化公司;LDH,TM,邵阳天堂助剂化工有限公司;LMPB,PB1400,韩国大林有限公司;抗氧剂,1010,上海羚睿化工有限公司。

电子天平,FA224,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;高速混合机,FW135,天津市泰斯特仪器有限公司;低速混合机,SHR-10,武汉怡扬塑料机械有限公司;双螺杆挤出机, SHJ-30,南京杰恩特机电有限公司;注塑机,TTI-90Se,东华机械有限公司;简支梁冲击试验机,XJFD-50,承德市东来检测仪器有限公司;微机电子万能试验机,LD24.203,力试(上海)科学仪器有限公司;熔体流动速率仪(MFR),KL-MI-AP,东莞市昆仑检测仪器有限公司;氧指数测定仪,XZT-100A,承德市科承试验机有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),Nicolet 380,赛默飞世尔科技(中国)有限公司;扫描电子显微镜(SEM),JSM-6510,日本电子株式会社。

1.2 样品的制备

将LDH与LMPB以质量比80∶20在高速混合机中混合2 min(24 000 r/min),得到改性LDH。将PPR、改性LDH与抗氧剂按照表1配方在低速混合机中混合均匀,然后采用双螺杆挤出机熔融挤出造粒,制备的样品分别记为1#～6#。双螺杆挤出机各段温度分别为185,190,195 ℃,机头和口模温度分别为195 ℃和200 ℃。表1为PPR管材专用料配方。

表1 PPR管材专用料配方 kg

1.3 性能测试与表征

FTIR分析:在4 000～500 cm-1扫描。

拉伸性能按照GB/T 1040.2—2022进行测试,测定标距25 mm,拉伸速率50 mm/min,测量5次,取平均值。

冲击性能按照HG/T 3841—2006进行测试,样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

MFR按照GB/T 3682—2000进行测试,载荷2.16 kg,温度230 ℃。

氧指数按照GB/T 2406.2—2009进行测试,样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

维卡软化温度按照 GB/T 1634.2—2004进行测试,试样尺寸为20 mm×10 mm×4 mm,升温速率为每6 min (5.0±0. 5) ℃。

SEM分析:断面喷金,加速电压10 kV。

2 结果与讨论

2.1 改性前后LDH的FTIR分析

图1为LDH和改性LDH的FTIR分析。

图1 LDH和改性LDH的FTIR分析

从图1可以看出:改性LDH在2 960 cm-1,2 929 cm-1和2 859 cm-1处出现特征吸收振动峰,其对应于LMPB分子链上—CH2、—CH3的伸缩振动。可见,通过高速混合方法可成功实现LMPB对LDH表面的包覆改性。

2.2 PPR管材专用料的力学性能分析

2.2.1 PPR管材专用料的缺口冲击强度分析

表2为PPR管材专用料的缺口冲击强度分析。

表2 PPR管材专用料的缺口冲击强度

从表2可以看出:随着改性LDH含量增加,PPR管材专用料的缺口冲击强度呈现先增大后减小的趋势,改性LDH质量分数为5.0%时,达到最大值(24.9 kJ/m2),较未添加改性LDH的PPR管材专用料(19.8 kJ/m2)提高了25.8%。改性LDH质量分数达40.0%时,PPR管材专用料的缺口冲击强度仍达到14.9 kJ/m2。当PPR管材专用料受到冲击作用时,少量改性LDH能够在PPR基体中诱发产生剪切带和银纹,吸收冲击能量,使PPR管材专用料增强韧性。随着改性LDH含量的增加,其在PPR基体中分散性变差,导致PPR管材专用料的缺口冲击强度下降。

2.2.2 PPR管材专用料的拉伸性能分析

表3为PPR管材专用料的拉伸性能分析。

从表3可知:随着改性LDH含量增加,PPR管材专用料的拉伸强度下降,断裂伸长率先增加后减小;改性LDH质量分数低于5.0%时,PPR管材专用料的断裂伸长率高于不添加改性LDH的PPR管材专用料。这是由于包覆于LDH表面的LMPB,一方面可以改善LDH在PPR基体中的分散,另一方面还起着增塑剂和增韧剂的作用,故当改性LDH质量分数低于5.0%时,PPR管材专用料的断裂伸长率出现一定幅度的上升,随着改性LDH含量进一步增加,其在PPR基体中团聚,导致PPR管材专用料的断裂伸长率下降。

2.3 PPR管材专用料的MFR分析

表4为PPR管材专用料的MFR分析。

表4 PPR管材专用料的MFR分析

从表4可以看出:随着改性LDH含量增加,PPR管材专用料的MFR逐渐减小。改性LDH质量分数高于10.0% 时,PPR管材专用料的MFR下降较为平缓。

2.4 PPR管材专用料的维卡软化温度分析

表5为PPR管材专用料的维卡软化温度分析。

表5 PPR管材专用料的维卡软化温度分析

从表5可以看出,随着改性LDH含量增加,PPR管材专用料的维卡软化温度逐渐上升,当改性LDH质量分数高于10.0%时,其增加幅度减缓。这是由于改性LDH添加到PPR基体中,限制了PPR分子链段的运动,提升了PPR管材专用料的维卡软化温度。

2.5 PPR管材专用料的阻燃性能分析

表6 为PPR管材专用料的氧指数分析。

表6 PPR管材专用料的氧指数分析

由表6可以看出,随着改性LDH含量增加,PPR管材专用料的氧指数增加,由未添加改性LDH的18.2%上升至改性LDH质量分数40.0%时的27.6%,达到了阻燃材料的标准。这是由于LDH受热分解时能吸收热量,降低燃烧体系的温度,同时分解释放出的水蒸气和二氧化碳气体能稀释和阻隔可燃性气体,且热分解生成的镁铝氧化物与高含量PPR的聚合物基体燃烧时形成碳化物,在PPR管材专用料表面形成保护膜,阻隔了氧的进一步侵入,也起到阻燃效果。

2.6 PPR管材专用料的SEM分析

图2为PPR管材专用料的SEM分析。

图2 PPR管材专用料断面的SEM分析

由图2可以看出:1#样品(未添加改性LDH的PPR管材专用料)的冲击断面光滑,见图2(a)。2#样品(添加质量分数2.5%改性LDH的PPR管材专用料)显示改性LDH在PPR基体中分散均匀,与PPR基体具有良好相容性。3#样品(添加质量分数5.0%改性LDH的PPR管材专用料)可见少许团聚体。且从图2(d)～图2(f)可以看出,随着改性LDH含量增加,可见的团聚体数量增多。

3 结论

a) 通过高速混合机成功实现了LMPB对LDH表面的包覆改性,改善了LDH在PPR基体中的分散程度。

b) 适量改性LDH提高了PPR管材专用料的缺口冲击强度,改性LDH质量分数为5.0%的PPR管材专用料的缺口冲击强度达24.9 kJ/m2,较未添加改性LDH的PPR管材专用料提升了25.8%。

c) 改性LDH显著提升了PPR管材专用料的维卡软化温度和阻燃性能,改性LDH质量分数为40.0%的PPR管材专用料的维卡软化温度和氧指数分别达136.8 ℃和27.6%。