纤维状β成核剂对建筑用嵌段共聚聚丙烯管力学性能的影响

王中最

四川省西华大学材料科学与工程学院

纤维状β成核剂对建筑用嵌段共聚聚丙烯管力学性能的影响

王中最

四川省西华大学材料科学与工程学院

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管在使用时面临环向强度低和冲击韧性差两大难题。本文利用β成核剂自成纤，在PP-B管中构建β型杂化串晶结构，同时提高了PP-B管的冲击韧性和环向强度，取得了良好效果。

PP-B管；纤维状β成核剂；β型杂化串晶；力学性能

1 引言

嵌段共聚聚丙烯（PP-B）管已被广泛用于建筑排水管网建设中，其安装和使用对抗冲韧性和环向强度有较高要求。但常规PP-B管主要由各项同性α型球晶组成，易在外部应力作用下发生脆性断裂[1]，环向强度和冲击韧性均有待进一步提高。

控制PP-B形成能提高强度的有序片晶，和能提高韧性的β型晶体是实现PP-B力学性能改善的有效手段。聚合物晶体结构由结晶初期的晶核结构决定，在PP-B中添加成核剂，通过异相成核可实现对PP-B结晶过程的控制。Deshmukh等的研究表明，通过调控最高加热温度，可控制酰胺类β成核剂在聚丙烯（PP）中分别自组装为点状、纤维状和树枝状形态，从而实现对PP晶体结构的设计[2]。本文借鉴这一基本结论，将酰胺类β成核剂TMB-5用于PP-B管的制备过程，控制TMB-5自组装为纤维状形态，考察其对PP-B管晶体结构与力学性能的影响。

2 样品制备与表征

实验原料

嵌段共聚聚丙烯（PP-B,EPS30R），中国石化独山子分公司，溶体流动速率（MFI）1.3g/10min(230℃，2.16kg)，熔点164.7oC。

芳酰胺类β成核剂，TMB-5，中国山西省化学工业研究院。

样品制备

采用TSSJ-25/33同向旋转双螺杆挤出机，在最高加热温度不高于190oC的条件下，熔融共混制备含0.1wt%TMB-5的PP-B原料。利用常规管材挤出机组（由单螺杆挤出机，冷却定型设备和牵引设备组成），控制最高加热温度为230oC，分别在相同条件下制备含TMB-5的PP-B管和纯PP-B管，样品分别命名为CPBT和CPB。

样品测试和表征

分别采用二维广角X射线衍射（2D-WAXD）和散射（2DSAXS）表征PP-B管的晶体结构；采用扫描电镜（SEM）和偏光显微镜（POM）观察PP-B管的晶体形貌；采用万能材料试验机和落锤冲击测试仪，分别测定PP-B管的环向抗拉强度和冲击韧性。

3 结果和讨论

PP-B分子链在挤出过程中受压力流动和拉伸力场倾向于沿挤出方向排列，但伸直分子链极易松弛，最终导致PP-B管中无自增强作用的串晶结构生成。这一点可以从图1中的结果得到证实。图1a为CPB管SEM照片，由于PP-B中的橡胶相与无定形区中分子链不受性质稳定的晶区保护，在刻蚀过程中被优先去除。显然，CPB管中只有向四周发散生长的球晶与均匀分散的不规则弹性相，其对应的2D-WAXD衍射图样亦为均匀分布的同心圆，表明CPB基体中无自增强相存在。

图1 （a）CPB管内表面SEM照片和对应的2D-WAXD测试结果；（b）CPBT管内表面POM照片和对应2D-WAXD测试结果

与之截然不同，在PP-B中添加自组装β成核剂TMB-5，控制最高挤出温度为230oC，可诱导TMB-5在PP-B熔体中自组装为纤维状形态，并沿挤出方向定向排列，最终诱导PP-B分子链在其上附生生长，形成取向晶体结构，如图1b中的POM照片所示。从对应的2D-WAXD测试结果可知，β（300）晶面对应的衍射图样为对称分布的不均匀六段圆弧，证明所得取向晶体为杂化串晶结构，其表面附生的片晶有序堆积于纤维状TMB-5两侧[3]。

图2 对CPB和CPBT 2D-WAXD图样积分得到的衍射强度/2θ角曲线

表1 CPB和CPBT管中的结晶度和β晶相对含量

CPB与CPBT管中的晶体组成可通过对图1中的2D-WAXD图样进行积分后得到。图2为CPB与CPBT管的X射线衍射一维曲线。不难看出，CPBT管中的杂化串晶因在β成核剂TMB-5表面附生生长而成，而主要由β型片晶组成，在X射线谱图上表现出极强的β（300）晶面衍射峰；与之不同，CPB管中球晶的X射线衍射结果则没有此衍射峰存在，说明其主要由α型晶体组成。进一步利用Mjade分析软件，对图中各峰进行拟合，便可得出β晶相对含量与总结晶度。如表1所示，CPBT管中的β晶含量高达84.7%，而CPB管中则几乎没有β晶；但二者的结晶度相差不大。

综上可知，通过控制β成核剂自成纤，成功在CPBT管中引入了β杂化串晶结构。

图3 CPB和CPBT管的环向抗拉强度冲击韧性

聚合物的宏观性能与其凝聚态结构密切相关。由前述可知，PP-B管中主要由橡胶相与各向同性的α球晶组成。尽管大量文章证明PP-B中的橡胶相因为“EbP（乙烯丙烯嵌段物）”的存在而与PP基体有较好的界面相容性，但这一方面并不能避免橡胶相在连续受力的情况下脱离基体，另一方面也势必在连续形变过程中造成界面应力集中。反应在环向拉伸强度上，CPB的环向抗拉强度较差，为15.5MPa。而CPBT管中的情况却有明显改变，由于纤维状TMB-5使基体的晶体结构变为了片晶有序排列的β杂化串晶，因而CPBT管的环向抗拉强度有了明显提高，达到20MPa，增幅达29%。此外，图3同样给出了CPB管与CPBT管的落锤冲击韧性。由于均匀分散的橡胶相在受到外界冲击作用时具有诱导微裂纹吸收能量，并阻止微裂纹进一步发展成为宏观裂缝的能力，因此CPB管的落锤冲击韧性高达～17J。而CPBT管中富集β杂化串晶，在β型晶体的增韧作用下进一步将该数值提高21%，达到～21J。

4 结语

本文通过对比研究，探讨了纤维状β成核剂对建筑用PP-B管力学性能的影响。结果表明，纤维状β成核剂可诱导PP-B管中形成有序排列β杂化串晶，使PP-B管环向抗拉强度和冲击韧性分别提高29%和21%。这一结果，将有助于提升建筑用PP-B管材的使用性能。

[1]H.B.Chen,J.Karger-Kocsis,J.S.Wu,J.Varga.Polymer 2002,43:6505.

[2]Y.S.Deshmukh,C.H.R.M.Wilsens,N.Leoné,G.Portale,J.A.W.Harings,S.Rastogi.Industrial&Engineering Chemistry Re⁃search 2016,55:11756.

[3]R.Han,Y.J.Lin,Q.Wang,M.Nie.Rsc Advances 2014,4:65035.

王中最（1990年生），女，新疆乌鲁木齐，硕士，西华大学材料科学与工程学院，助理实验师，主要从事高分子材料方面的研究工作。