同向非对称双螺杆挤出TPU/PP共混体系研究

罗家胜 徐百平* 杜遥雪 冯彦洪

(1. 广东轻工职业技术学院，广东高校高分子材料加工工程技术开发中心，广东 广州，510300；2.五邑大学机电工程学院，广东 江门，529020；3.华南理工大学聚合物成型加工教育部重点实验室，广东 广州， 510640)

同向非对称双螺杆挤出TPU/PP共混体系研究

罗家胜1,2徐百平1,2*杜遥雪2冯彦洪3

(1. 广东轻工职业技术学院，广东高校高分子材料加工工程技术开发中心，广东 广州，510300；2.五邑大学机电工程学院，广东 江门，529020；3.华南理工大学聚合物成型加工教育部重点实验室，广东 广州， 510640)

通过对同向非对称双螺杆挤出机和传统同向双螺杆挤出机的应用，研究了在无添加相容剂情况下热塑性聚氨酯/聚丙烯(TPU/PP)共混体系的力学性能和相形态。结果表明，和传统同向双螺杆挤出机相比，同向非对称双螺杆挤出机在长径比和捏合块均减少的情况下加工的共混物力学性能更好，分散相的平均粒径更小、更均匀，并且共混物的韧性和相容性更好。

聚丙烯 热塑性聚氨酯 同向非对称双螺杆 力学性能 共混

基于混沌动力学对称破缺思想，徐百平通过引入非对称流道来强化混沌混合和拉伸流，并研制了同向非对称双螺杆挤出机[1]，这种新型设备具有2条形状不同的螺杆，其转速可以相同或不同，转速比为2的同向非对称双螺杆挤出机左右螺杆非对称导致左右螺杆对应螺槽体积不一致，物料流经过程中受到周而复始的拉伸压缩。通过二维数值仿真，得出同向非对称双螺杆挤出机(NTSE)的分布混合和分散混合优于传统的同向双螺杆挤出机(TSE)的[2]，该设备适用于高填充、改性、合金化及反应挤出等领域。

下面选用热塑性聚氨酯/聚丙烯(TPU/PP)不相容的两相体系来改善PP的低温脆性，在不添加任何相容剂的情况下，进行同向非对称双螺杆挤出机加工不相容体系力学性能和相形态的研究，揭示全新的加工方法对混合性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料

PP，T30S,熔体流动速率为3.0 g/10min，中国石油化工股份有限公司茂名分公司；TPU，1190A，密度为1.14 g/cm3，巴斯夫(中国)有限公司。

1.2 设备与仪器

高速混合机，SHR-10A，张家港格兰机械有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，101-4-BS，上海跃进医疗器械厂；电子天平，JZC-30TSC，福州科迪电子技术有限公司；新型同向非对称双螺杆挤出机，SHJ-35×32，长径比为32，螺杆转速比为2，广东轻工职业技术学院；同向双螺杆挤出机，SHJ-35×48，长径比为42.7,广东华新科塑料机械有限公司；电子万能试验机，CMT4204，深圳市新三思材料检测有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJU5.5,承德市金建检测仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6330F，日本电子株式会社。

1.3 试样制备

将原料置于80 ℃干燥箱中干燥2 h后，按一定比例配料，将混合料放于高速混合机中混合5 min，分别加入同向非对称双螺杆挤出机和传统的同向双螺杆挤出机中，在双头螺杆24 r/min的转速下挤出成型，新型挤出机1～8区温度分别为170，185，190，195，200，200，200，200 ℃，机头温度为195 ℃，产量为3.32 kg/h，传统挤出机1～9区温度分别为160，170，180，185，190，195，200，200，200 ℃，机头温度为195 ℃，产量为3.48 kg/h。将挤出粒料置于干燥箱中80 ℃下干燥2 h后，用压力成型机制样，用裁刀将样品制成标准样条，在25 ℃下放置24 h后测试力学性能。挤出的TPU/PP共混物样条在液氮中脆断，利用SEM观察垂直于流动方向的截面形貌。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

图1为TPU含量对TPU/PP共混物力学性能的影响。

从图1(a)可以看出，TPU/PP共混物的拉伸强度随着TPU含量的增加呈现“V”形状。共混物拉伸强度的下降表明混合物存在弱界面交互。从图1(b)可以看出，质量分数20% TPU共混物相对质量分数10% TPU共混物的断裂伸长率有所下降,TPU质量分数在20%～50%其断裂伸长率变化不大，随后曲线呈现上升趋势。从图1(c)可以看出，共混物的弹性模量随着TPU含量的增加而减少。从图1(d)可以看出，质量分数10%～30%TPU共混物的冲击强度变化不大，在TPU含量较高时冲击强度较高。图1表明了同向非对称双螺杆挤出机加工共混物的力学性能明显优于传统双螺杆挤出机的。

2.2 相形态分析

图2和图3分别为同向非对称双螺杆挤出机和传统双螺杆挤出机加工TPU/PP共混物的微观形貌。

从图2和图3可以看出，同向非对称双螺杆挤出机加工TPU/PP共混物分散相的粒径比传统双螺杆挤出机加工共混物的小。且质量分数70% TPU共混物的分散相粒径比10% TPU共混物的大很多，这可能是由于TPU黏度比PP的大，随着TPU含量的增加，几个粒径小的粒子粘结在一起形成比较大的颗粒。通过比较图2(a)和图3(a),传统双螺杆挤出机加工共混物的断裂表面更光滑且类似平行裂缝，呈现典型的脆性断裂。而同向非对称双螺杆挤出机加工的共混物的断裂表面具有沿不同方向断裂的多层结构，这表明其冲击强度高于传统双螺杆挤出机加工的。传统双螺杆挤出共混物(10%TPU)分散相粒径为0.48～2.92 μm, 平均值为1.48 μm,而非对称双螺杆挤出共混物(10%TPU)分散相粒径为0.39～1.66 μm,平均值为0.89 μm，分散相的粒径变小，共混物的性能更好。在图3(f)中，可以发现一些非常大的颗粒，这表明传统双螺杆挤出机加工的共混物分散不均匀，而图2(f)中，断裂表面表现得更粗糙，分散相更均匀，说明同向非对称双螺杆挤出机具有更好的分散混合能力。并且，在图2(c)中，可以发现一些纤维结构，这说明使用同向非对称双螺杆挤出机时，TPU和PP的相容性有所改善。

3 结论

a) 同向非对称双螺杆挤出机在长径比和捏合块均减少的情况下，加工的共混物力学性能仍然优于传统双螺杆挤出机加工TPU/PP共混物的。

b) 同向非对称双螺杆挤出机加工分散相的平均粒径变小，分布范围变窄,混合效果更好。

[1] 徐百平,王玫瑰,何亮,等.同向旋转非一致自洁多螺杆塑化排气挤出装置及方法:中国,201110149868.4[P].2011-11-23.

[2] Xu B P,Yu H W.Simulation of the mixing in a novel fully wiped co-rotating non-twin screws[J]. Advanced Materials Research,2012,(560-561): 1091-1096.

Studies on TPU/PP Blends Processed in Co-Rotating Non-Twin Screws Extruder

Luo Jiasheng1,2Xu Baiping1,2Du Yaoxue2Feng Yanhong3

(1.Technology Development Center for Polymer Processing Engineering of Guangdong Colleges and Universities, Guangdong Industry Technical College, Guangzhou，Guangdong, 510300;2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen Guangdong 529020;3.National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing, South China University of Technology, Guangzhou,Guangdong, 510640)

Using co-rotating non-twin screw extruder and the traditional twin screw extruder, the mechanical properties and morphology of thermoplastic polyurethane/polypropylene blends without adding any compatibilizers were investigated. The results indicate that compared to traditional twin screw extruder,in the case that the non-twin screw extruder has shorter L/D ratio and fewer kneading blocks,the mechanical properties of non-twin screw extruded blends are better, and the average particle size of dispersed phase is smaller and more uniform,moreover,the toughness and compatibility of the blends are better.

polypropylene; thermoplastic polyurethane; co-rotating non-twin screw; mechanical properties; blends

2014-03-19;修改稿收到日期:2014-11-20。

罗家胜，男，在读硕士研究生，主要从事高分子材料加工。E-mail:luojiasheng@163.com。

*通信联系人，E-mail:xubaiping2003@163.com。

国家自然科学基金项目(11272093)；广东省部产学研项目(2012B091100432)；广东省高等职业院校珠江学者岗位计划资助项目(2012)；广东轻院自然科学基金(KJ201212)。