基于可视化分析的改性PP增强配方设计

孙益民，钟明，胡献琴，翟春海，陈海娟，张晓

（1.安徽省功能性分子固体重点实验室，安徽省芜湖市 241000；

2.安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽省芜湖市 241000）

基于可视化分析的改性PP增强配方设计

孙益民1，2，钟明1，2，胡献琴1，2，翟春海1，2，陈海娟1，2，张晓1，2

（1.安徽省功能性分子固体重点实验室，安徽省芜湖市 241000；

2.安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽省芜湖市 241000）

将聚丙烯（PP）、增强剂、增韧剂和接枝PP共混制备改性PP，测试了改性PP的拉伸强度和简支梁缺口冲击强度，运用一种自行提出的方法——可视化分析法对改性PP的拉伸强度进行了研究。拉伸强度大于80.0 MPa时，PP、增强剂、增韧剂和接枝PP共混的最优配方为：w(PP)为62%～63%，增强剂质量分数为23.0%～30.0%，增韧剂质量分数为5.0%～7.0%，接枝PP质量分数为7.3%～8.0%。

聚丙烯 改性 拉伸强度 可视化分析 配方设计

聚丙烯（PP）具有质轻、电绝缘性良好、易于加工成型、价格低廉、来源丰富、性价比高等优势，广泛应用于汽车领域[1]。但PP耐寒性差、低温时易脆裂、抗冲击性能差、制品尺寸变形率大、与其他极性聚合物和无机填料的相容性差等，限制了它的应用范围和功能发展。可以通过各种物理和化学方法对其改性以满足不同的需求[2]。

拉伸强度是改性PP作为结构材料必须考虑的力学参数之一[3]。为提高PP的拉伸强度，在改性工艺中，一般多参考现有的经验配方或设计正交试验来确定各种原料的质量比[4]。本工作针对PP的改性工艺，以实验测得的改性PP的拉伸强度为指标，运用可视化分析[5-6]，找到较大拉伸强度时各种改性原料的适宜质量配比，并探讨影响拉伸强度的因素。

1 可视化分析

在塑料加工中，配方设计是一项重要的步骤，原料配比对产品各种物理性能影响明显。传统的经验配方以及正交试验设计配方是比较常见的。可视化分析是本课题组经过长期的研究与探索提出的一种直观、简明的分析方法。该方法根据实验结果，运用非线性数学模型[见式（1）]，通过图形分析，找出达到理想指标时各个因素的合适用量区间，是一种准确可靠的实验分析方法。

式中：xi为模型的输入值，y为模型的计算值，wij， wj，bj，b均为模型的参数。

可视化分析的过程包括：1）分析研究要处理的问题，确定影响产品性能的因素；2）查阅文献资料，合理设计，并准确完成实验；3）根据实验结果，提出合理的非线性数学模型，用实验得到的数据拟合模型；4）根据实验结果和模型，运用计算机软件绘制可视化分析图，分析并得出结论。

可视化分析法除可用于改性PP增强配方的设计外，还可用于设计其他改性高分子材料的配方，也可用于其他化工行业的工艺优化（如天然产物提取工艺）[5-6]。

2 实验过程与分析

2.1 原料与测试

增强剂，无碱玻璃纤维（GF），ER13-2000-988A，巨石集团有限公司生产。增韧剂,聚烯烃弹性体（POE），POE8999，上海陶氏化学公司生产。马来酸酐（MAH）接枝PP（PP-g-MAH），GPM200A，浙江宁波能之光新材料科技有限公司生产。共聚PP，3015，东莞弘耀塑胶有限公司。

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006测试；简支梁缺口冲击强度按GB/T1043.1—2008测试。

实验过程：设计10种不同配方（4个因素，每个因素10个水平，见表1），通过共混和注塑成型，制备测试用改性PP试样。

表1 按配方制备的改性PP的拉伸强度和缺口冲击强度Tab.1Tensile strength and notched Charpy impact strength of the modified PP prepared in accordance with the formulae

2.2 可视化分析的结果

图1a～图1f为4个试验因素对实验指标（即拉伸强度）的分析，每两个因素为一张图，每个图中的10个黑点为真实试验点，图中的光滑线条是根据可视化分析原理、借助社会科学统计软件包和矩阵实验室等数学计算工具，运用非线性科学知识绘制，图中的矩形框为拉伸强度大于80.0 MPa时的理想原料用量范围。

从图1a可以看出：当w（GF）为9.0%～30.0%，w（POE）为5.0%～7.0%时，改性后PP拉伸强度大于80.0 MPa。随着POE用量增加，拉伸强度减小，此结论与实际工业生产吻合。

从图1b可以看出：随GF和PP-g-MAH用量增大，拉伸强度会出现80.0 MPa以上的值。矩形框显示的w（GF）为23.0%～30.0%，w（PP-g-MAH）为7.0%～10.0%。

从图1c可看出：当w（GF）为9.0%～20.0%且w（PP）为49%～55%时出现一个较大拉伸强度的区域；当w（GF）为20.0%～30.0%且w（PP）为58%～63%时，拉伸强度也符合大于80.0 MPa的要求。

从图1d看出：要使拉伸强度大于80.0 MPa，POE的用量必须很小，PP-g-MAH也不宜太大，即w（POE）为5.0%～7.0%，w（PP-g-MAH）为5.0%～8.0%。POE的适宜范围与图1a的优化范围也较一致。

从图1e看出：w（POE）为5.0%～7.0%，w（PP）为49%～63%时，拉伸强度大于80.0 MPa，符合要求。

从图1f看出：w（PP-g-MAH）为7.3%～8.5%且w（PP）为62%～68%；或者w（PP-g-MAH）为8.8%～9.8%且w（PP）为59%～65%时，满足拉伸强度大于80.0 MPa的要求。

2.3 可视化分析结果

通过可视化分析，对每种原料找到了3个适宜的用量范围，综合3个范围的重合区域，各种原料的适宜用量：w（GF）为23.0%～30.0%，w（POE）为5.0%～7.0%，w（PP-g-MAH）为7.3%～8.0%，w（PP）为62%～63%，此范围内，4种原料的总用量最小值为97.3%，最大值为108.0%，没有出现最大值小于1或者最小值大于1的情况，进一步确定可视化分析的结果是符合实际的。

为了验证试验分析的准确性，在优化的区间内又增做了两种不同配方的试样。第一种配方w（GF）为23.5%，w（POE）为7.0%，w（PP-g-MAH）为7.5%，w（PP）为63%，测得拉伸强度为80.2 MPa；第二种配方w（GF）为25.0%，w（POE）为5.3%，w（PP-g-MAH）为7.7%，w（PP）为62%，测得拉伸强度为82.7 MPa。因此，可综合考虑原料的成本，在此优化区间内选取最优配方。

3 结论

a）可视化分析用于改性PP增强配方的设计是成功的，可以找到理想的原料配比。

b）可视化分析法也可同时用于分析拉伸强度和简支梁缺口冲击强度，可以找到拉伸强度和简支梁缺口冲击强度都达到理想值时的最优配方。

[1]兰黄鲜,谢冬梅,弄庆强.微型汽车保险杆专用料的研制[J].塑料科技,2010(12):65-68.

[2]刘俊,李江平.聚丙烯的改性研究进展[J].广东化工,2010,37 (1):66-67.

[3]吴宝成,盖国胜,李建波.PP/无机粒子复合材料拉伸强度的预测模型及影响因素分析[J].合成材料老化与应用,2009,38 (4):25-30.

[4]周娟娟,姚正军,周金堂,等.POE增韧改性回收PP的注塑成型工艺及其性能[J].机械工程材料,2009,33(10):78-82.

[5]宋文佳,孙益民,罗乐,等.辣椒红色素提取工艺可视化分析[J].应用化工,2008,37(7):746-750.

[6]孙益民,陶伟，卞国琛，等.超临界二氧化碳萃取辣椒碱工艺的可视化分析[J].食品科学,2011,32(18):117-122.

Formula design of reinforcement of modified PP based on visual analysis

Sun Yimin1,2,Zhong Ming1,2,Hu Xianqin1,2,Zhai Chunhai1,2,Chen Haijuan1,2,Zhang Xiao1,2

(1.Key Laboratory of Functional Molecular Solid of Anhui Province,Wuhu 241000,China;
2.College of Chemistry and Materials Science,Anhui Normal University,Wuhu 241000,China)

The authors prepared modified polypropylene(PP)by blending pure PP with reinforcing agent, toughener and grafted PP,and tested tensile strength and notched Charpy impact strength of the modified PP. A method specially devised by the authors-visual analysis-was applied to study the tensile strength.The optimal formula for producing the blend with the tensile strength over 80.0 MPa was determined,in which the mass fraction of the pure PP,reinforcing agent,toughener and grafted PP was set in the range of 62%-63%, 23.0%-30.0%,5.0%-7.0%and 7.3%-8.0%,respectively.

polypropylene;modification;tensile strength;visual analysis;formula design

TQ 325.1+4

B

1002-1396（2012）04-0018-03

2012-01-27。

2012-04-26。

孙益民，1954年生，1999年毕业于北京科技大学物理化学系，工学博士，教授，研究领域为材料科学、天然产物科学、物理化学。联系电话：18855300562；E-mail：mysun@mail.ahnu.edu.cn。

国家自然科学基金项目(20973002)，安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2011A149)。

（编辑：吴雅荣）