PP粉粒径对纳米粒子分散性能影响的研究

黄伟江，田瑶珠，2＊，秦 军，罗 筑，2，陈梦喻

（1.贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳550003；2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵州 贵阳550003；3.教育部喀斯特重点实验室，贵州 贵阳550003）

PP粉粒径对纳米粒子分散性能影响的研究

黄伟江1，田瑶珠1，2＊，秦 军2，3，罗 筑1，2，陈梦喻3

（1.贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳550003；2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵州 贵阳550003；3.教育部喀斯特重点实验室，贵州 贵阳550003）

利用凝胶渗透色谱仪对不同粒径聚丙烯（PP）粉的相对分子质量及其分布和平均表面积进行测试，通过透射电子显微镜对硅溶胶纳米SiO2粒子在不同粒径PP粉中的分散性能进行了表征，并讨论了PP粉的粒径大小对硅溶胶纳米SiO2粒子分散性能的影响。结果表明，PP粉粒径大小对硅溶胶纳米SiO2粒子在基体中的分散性能有显著影响，聚合物黏度对纳米SiO2粒子的分散性能并无太大影响。

聚丙烯；粒径；纳米粒子；分散性能

0 前言

纳米粒子在基体材料中的分散性是使基体材料产生特殊效应和应用的关键。目前对纳米粒子在基体材料中分散性能的研究很多［1－3］，分散性能研究也是纳米材料研究的关键技术和热点方向［4－5］。但基体材料的粒径大小对纳米颗粒的分散影响未见研究报道。本文以粉体PP为基体原料，研究了基体材料的粒径大小对硅溶胶纳米颗粒在基体材料中的分散性能的影响，其结果对纳米材料的应用有很好的启示作用。

1 实验部分

1.1 主要原料

均聚PP粉料，225，广东省茂名实华聚丙烯厂；

硅溶胶，中科院地化所；

过氧化二异丙苯（DCP）、分散剂，市售。

1.2 主要设备及仪器

同向双螺杆挤出机，TSE－40A，南京瑞亚高聚物设备有限公司；

塑料注射成型机，CJ80MZ－NCⅡ，震德塑料机械厂；

凝胶渗透色谱仪，GPC V 2000，美国Waters公司；

透射电子显微镜（TEM），JEM－1200EX，美国 TA公司；

熔体流动速率仪，XRL－400，广东震德塑料机械有限公司；

激光粒度仪，Zetasizer Nano ZS，英国 Malvern公司。

1.3 样品制备

将PP粉过筛分级，粒径依次为830、380、212、113、50μm。将分级后的PP粉料分别与适量的硅溶胶和分散剂充分混合，然后加入到双螺杆挤出机中，于170～220℃下挤出造粒，再于注塑机中注塑出样条，分别标记为1＃、2＃、3＃、4＃、5＃；

在混有硅溶胶的PP粉中分别加入0、0.2%（质量分数，下同）、0.5%、0.8%的降解剂DCP，分别标记为6＃、7＃、8＃、9＃，待混合均匀后，加入到双螺杆挤出机中，于170～220℃下挤出造粒，再于注塑机中注塑出样条。

1.4 性能测试与结构表征

用激光粒度仪对硅溶胶粒径分布进行表征；

采用凝胶色谱仪测定不同粒径PP粉的相对分子质量及其分布，淋洗温度为150℃，溶剂为三氯苯，校正曲线用单分散聚苯乙烯标定；

按GB/T 3682—1983在熔体流动速率仪上进行熔体流动速率测试，实验温度为230℃，负荷为5kg；

TEM分析：先将试样切片，用TEM观察纳米粒子在PP基体中分散情况的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 硅溶胶粒径分布

从图1可以看出，硅溶胶粒径分布有2个峰，对应的平均粒径分别为11.98nm和264.8nm处，而平均粒径为11.98nm的硅溶胶粒子占83%，平均粒径为264.8nm的硅溶胶粒子占16%，纳米粒子是粒径在1～100nm范围内的粒子，说明本实验所用硅溶胶粒子基本属于纳米级粒子。

图1 硅溶胶的粒度频率分布曲线Fig.1 The distribution of particle size of silical sol

2.2 PP粉相对分子质量及其分布和平均比表面积

从表1可以看出，随着PP粉粒径的减小，其数均相对分子质量）逐渐减小，但减小的趋势逐渐减缓，而重均相对分子质量（）近似呈现先下降后上升的趋势，其相对分子质量分布规律/）则是随着PP粉粒径减小，相对分子质量分布逐渐变宽；随着PP粉粒径减小，其平均比表面积急剧减小。

表1 PP粉料的相对分子质量及其分布和平均比表面积Tab.1 The average molecular weight and its distribution and the average surface area of PP powder with different sizes

2.3 硅溶胶纳米粒子对PP粉熔体流动速率的影响

由表2可以看出，添加硅溶胶纳米粒子前后PP的熔体流动速率均呈上升趋势，但明显添加硅溶胶纳米粒子之后的熔体流动速率均小于未添加的。分析可知，熔体流动速率上升的原因是PP粉粒径在减小，其数均相对分子质量变小，导致相对分子质量分布变宽，分子间作用力减弱，体系的熔体黏度下降，因而熔体流动速率呈现上升趋势。但由于硅溶胶纳米粒子的加入，体系中硅溶胶纳米粒子与PP熔体产生黏滞力，从而导致熔体黏度再次增大，因此添加硅溶胶纳米粒子后的体系熔体流动速率要低一些。

表2 添加硅溶胶纳米粒子前后PP粉的熔体流动速率Tab.2 Melt flow rate of PP powder with and without nanoparticles

2.4 硅溶胶纳米粒子在不同粒径PP粉中的分散性能

从图2可以看出，当PP粉粒径为830μm时，纳米粒子在PP基体中分散不均匀，并且出现严重的团聚现象，而随着PP粉粒径的减小，纳米粒子的团聚现象逐渐减少；当PP粉粒径为113μm以下时，纳米粒子能均匀地以纳米颗粒分散在PP基体中。其原因在于，当PP粉粒径较大时，其总表面积较小，纳米粒子以液态溶胶的形式混入PP粉粒子表面，由于总表面积小，初始分散程度较差。而当PP粉粒子的半径减小时，总表面积越大，其粒子与粒子的界面越来越多，所以硅溶胶中的纳米粒子以更接近单个粒子的程度分散在PP粉粒子的表面和PP粉粒子与之间，其初始分散程度更好，所以当粒径减小时，其分散更好；另一方面，由表3可以看出，随着PP粉粒径的减小，材料的熔体流动速率增加，即熔体黏度减小，黏度较小的PP熔体所消耗的黏性耗散能与弹性耗散能比高黏度PP熔体要少，而且更容易浸润纳米粒子，因此在外界输入的能量一定时，低黏体系传递给团聚体的分散能相对就多，使得团聚体的破碎概率增大，粒子分散程度高［1］。

图2 纳米粒子在不同粒径的PP粉中的TEM照片Fig.2 TEM microphotos for nanoparticles in PP powder with different size

2.5 硅溶胶纳米粒子在不同熔体流动速率的PP粉中的分散性能

从表3可以看出，随着降解剂DCP添加量的增加，材料的熔体流动速率提高，这主要是因为加入降解剂后，部分高分子链断裂，从而使得分子间作用力减弱，分子链更容易运动，其黏度下降，降解剂用量增加，高分子链断裂程度更大，因而材料的熔体流动速率表现为增加趋势。

图3 纳米粒子在不同熔体流动速率的PP粉中的TEM照片Fig.3 TEM microphotos for nanoparticles in PP powder with different melt flow rate

从图3可以看出，4个样品中纳米粒子均出现团聚现象，纳米粒子在PP基体中的分散情况大致相同，说明降解剂用量对纳米粒子在PP基体中的分散并无太大影响，即聚合物黏度对纳米粒子在基体中的分散影响不大，所以影响纳米粒子在PP基体中分散的主要因素是PP粉粒径的大小，而由粒径大小变化引起的比表面积增加是纳米粒子在PP粉中分散性能的主要影响因素。

表3 DCP对PP粉/硅溶胶纳米粒子的熔体流动速率的影响Tab.3 Melt flow rate of PP/nanoparticles with different content of degradative agent DCP

3 结论

（1）随着PP粉粒径的减小，其数均相对分子质量呈降低趋势，相对分子质量分布变宽，总比表面积增大；

（2）随着PP粉粒径的减小，在添加纳米粒子前后其熔体流动速率均呈增大趋势；

（3）随着PP粉料粒径的减小，纳米粒子在PP基体中分散性逐渐变好，聚合物熔体黏度对纳米粒子的分散性能并无太大影响。

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Study on Influence of the Size of PP Powder on
Dispersion Behavior of Nanoparticles

HUANG Weijiang1，TIAN Yaozhu1，2＊，QIN Jun2，3，LUO Zhu1，2，CHEN Mengyu3
（1.College of Materials and Metallurgical of Guizhou University，Guiyang 550003，China；2.National Composite Modified Ploymer Materials Engineering Research Center，Guiyang 550003，China；3.Key Laboratory of Karst Drainage，Ministry of Edution，Guiyang 550003，China）

The dispersion behavior of nanoparticles in PP powder with different particle size was studied in this paper.The average molecular weight and its distribution of PP were determined using gel permeation chromatography.The specific surface area of different PP powder，and the dispersion behavior of nanoparticles in PP powder were characterized using transmission electron microscope.It showed that the particle size of PP powder had an obvious influence on the dispersion behavior of nanoparticles in the matrix，while the viscosity of the polymer had no effect on it.

polypropylene；particle size；nanoparticle；dispersion behavior

TQ325.1＋4

B

1001－9278（2011）09－0066－04

2011－05－19

＊联系人，yao＿zhutian＠126.com