β成核剂对聚丙烯结构与性能的影响

辛 华， 任庆海， 段 拓， 白娟娟

(1.陕西科技大学 化学与化工学院， 陕西 西安 710021； 2.西安中材型材有限公司， 陕西 西安 710075)

0 引言

聚丙烯(PP)具有良好的力学性能以及低的加工成本.等规聚丙烯具有α、β等五种晶型[1-7]，其中，α晶型是最稳定的形式.一般加工条件下所得PP以α单斜晶为主.与α晶型相比，β晶型内部的排列更疏散，具有较好的抗冲击性能.一般而言,β晶型的PP其冲击强度是α晶型PP的1～2倍.但是β晶型热力学上不稳定、动力学上不易形成，因此,只有利用特殊方式才能获得[8-11].通过添加β成核剂,使α晶型转变成β晶型，是目前公认的可以得到高含量β晶型PP的最有效途径之一[12-14].

本研究以苯甲酸钠为β成核剂，采用熔融共混法制备出了β晶改性的聚丙烯，并通过冲击、拉伸、X射线衍射(XRD)、偏光显微镜观察(PLM)及扫描电镜观察(SEM)等手段，研究了改性聚丙烯的结构和性能.

1 实验部分

1.1 主要试剂

聚丙烯(市售粒料,陕西延长石油延安炼油厂);苯甲酸钠(成核剂，天津市化学试剂三厂).

1.2 实验仪器

实验所用主要仪器设备如表1所示.

表1 主要实验仪器

1.3 实验步骤

将聚丙烯(PP)与一定比例的苯甲酸钠，用高速搅拌机均匀混合后，在双螺杆挤出机中挤出造粒.粒料干燥后，在注塑机上进行注射成型，得到测试样条备用.

挤出机各段加工温度如表2所示.

表2 挤出机各段加工温度

注塑机各段加工温度如表3所示.

表3 注塑机各段加工温度

实验中所用苯甲酸钠占PP的质量百分数分别为：0%、0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 0.6%.

1.4 性能测试

采用悬臂梁冲击试验机测定样品的冲击强度；采用万能试验机测定样品的拉伸性能；采用X射线衍射仪分析测定样品的结晶性能；采用偏光显微镜观察样品的结晶形态；采用扫描电镜观察冲击实验后样条的断面形貌.

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图1和图2分别为PP的抗张强度和冲击强度与β成核剂苯甲酸钠用量之间的变化曲线.从图1和图2可知，随着苯甲酸钠用量的增加，改性PP的抗张强度有所下降，但抗冲击性能显著上升.当苯甲酸钠用量为0.4%时，改性PP的冲击强度可以达到66.2 J/m2.冲击强度增大的主要原因是体系中加入苯甲酸钠后，可以诱导PP中部分α晶型向β晶型转变，β晶型内部排列比α晶型更松散，故当外力作用时，β球晶的晶层之间更容易相对滑动；此外，改性后所得晶粒细，界面也比较模糊，这都有利于提高PP的抗冲击性能.

图1 成核剂用量对聚丙烯抗张强度的影响

图2 成核剂用量对聚丙烯冲击强度的影响

2.2 结晶度

图3为PP的结晶度与β成核剂苯甲酸钠用量之间的变化曲线.如图3所示,随着苯甲酸钠成核剂用量的提高，PP的总结晶度也随之明显增大，当加入量为0.4%，PP结晶度可达到76.9%.这是因为加入苯甲酸钠后，PP结晶属于异相成核，更容易促进PP结晶，结晶度增大，且异相成核所得PP的晶粒更细.但苯甲酸钠用量继续增加后，分散困难，易导致 “团聚”，因此总结晶度又会有所下降.

图3 成核剂用量对聚丙烯总结晶度的影响

2.3 XRD测试分析

图4为空白PP以及添加0.4%苯甲酸钠改性PP的XRD图谱.由图4可知，a曲线空白PP的衍射峰分别为2θ=13.8 °、18.3 °、21.2 °、21.7 °，这些均为α晶特征在(110)、(130)、交叠的(131)和(111)晶面的特征衍射[15]，这说明未改性PP主要含α晶型.此外,在2θ=16．6 °也出现了表明β晶型特征在(300)晶面的衍射峰.

图4中b曲线表明加入苯甲酸钠改性后，在2θ=16.6 °的衍射峰强度大大增强，且远高于与α晶相关的衍射峰强度.这表明加入苯甲酸钠后，诱导了PP中的部分α晶型向β晶型发生转变.

图4 PP和改性PP的XRD谱图

2.4 偏光显微镜测试分析

图5是偏光显微镜(PLM)观察纯PP和添加0.4%苯甲酸钠改性PP的结晶形态对比图.图5(a)是纯PP的结晶形态，可见其球晶尺寸大，球晶之间的边界比较明显.这是因为纯PP的结晶过程属于均相成核，其所得晶型以α晶型为主.

图5(b)可见加入苯甲酸钠成核剂后，PP熔体的晶核密度大大增加，球晶尺寸细化，且球晶之间无明显边界.这是因为加入成核剂的改性PP属于异相成核，主要形成β晶型.这与前面的分析结果相一致.

(a) PP

(b) 改性PP图5 PP及改性PP的偏光 显微镜图(×400倍)

2.5 断面扫描电镜测试分析

(a) PP(×1 000倍)

(b) PP(×2 000倍)

(c) 改性PP(×1 000倍)

(d) 改性PP(×2 000倍)图6 PP及改性PP的断面扫描电镜图

图6为PP及添加0.4%苯甲酸钠成核剂改性后的PP冲击断面SEM照片.从图6(a)及6(b)中可以看出，在受外力冲击断裂后，纯PP冲击断面表面比较光滑.对比图6(c)及6(d)中添加苯甲酸钠后的改性PP冲击断面出现了拉丝的现象，呈现出一种韧性拉伸状态.这同样证明了,加入苯甲酸钠成核后，诱导了PP中的部分α晶型向β晶型发生转变，因此,PP由脆性断裂向韧性断裂发生了转变.

3 结论

本研究通过添加苯甲酸钠为β成核剂对聚丙烯(PP)进行了改性，并对改性PP的结构与性能进行了研究.当成核剂用量为0.4%时，改性PP的冲击强度可达到66.2 J/m2，总结晶度达到76.9%;XRD测试表明，苯甲酸钠的加入，诱导了PP中部分α晶型向β晶型发生转变;PLM观察表明，改性PP的球晶尺寸细化，晶核密度增大;对冲击断面形貌的SEM观察结果表明,改性后PP由脆性断裂转变为韧性断裂.

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