PBAT/CaCO3复合材料力学性能的研究

2022-08-30周耀文秦增增

盐科学与化工 2022年8期

周耀文，秦增增，姚利

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

普通塑料的使用带来了环境问题，生物可降解塑料正成为解决污染的理想途径，其可通过自然界中微生物的生物代谢过程而降解成为水、二氧化碳和其他对环境无污染的小分子物质。其中PBAT(对苯二甲酸、己二酸和丁二醇三种单体缩聚制得，下同)是新型的生物可降解塑料，有很好的韧性能和成膜性，但其拉伸强度和弯曲强度等力学性能较差，同时其价格很高，限制了其应用[1]。因此需利用改性方法对PBAT进行改性研究，降低成本同时提高综合性能拓宽应用范畴。

价格便宜的碳酸钙可以用来填充改性PBAT降低成本，但是作为无机填料，其与PBAT的相容性较差，通过添加助剂可以改善碳酸钙在基体中的分散性能，提高与基体的结合能力。在保证复合材料力学性能的基础上，降低复合材料的成本[2-3]。

文章采用CaCO3与PBAT共混制备PBAT/CaCO3复合材料，并研究碳酸钙、润滑剂、扩链剂不同添加量对复合材料力学性能的研究。

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

原料。PBAT，康辉新材料科技有限公司；重质碳酸钙6.5 μm，江西奥特科技有限公司；其他助剂。

设备。TE-35同向双螺杆挤出机(南京欧立)；SA600注塑机(海天)；真空干燥箱；万能试验机；缺口制样机；简支梁试验机。

1.2 理论依据

文章中选择常见碳酸钙使用6.5 μm的重质碳酸钙作为填充物质，改变碳酸钙添充量，润滑剂添加量，扩链剂添加量，查看产品性能变化，结合成本及产品性能，查看产品性能变化，选出合适碳酸钙填充量、润滑剂添加量、扩链剂添加量。

1.3 实验配方(表1、表2、表3)

1.4 实验步骤

(1)造粒。利用35试验机分别对表1、表2、表3中配方进行实验打样造粒，实验过程中要求工艺稳定，按照表4工艺条件进行。

表1 碳酸钙对产品性能的影响配方Tab.1 Influence of CaCO3 on product performance %

表2 润滑剂对产品性能影响的配方Tab.2 Formulation of lubricant affecting product performance %

表3 扩链剂对产品性能影响的配方Tab.3 Formula of chain extender affecting product performance %

表4 双螺杆挤出工艺条件Tab.4 Twin screw extrusion process conditions

(2)注塑。造粒产品在做物理性能测试之前，需在真空干燥箱中烘烤6 h，温度60 ℃。注塑制备拉伸样条和冲击样条。用海天塑机SA600注塑机制备标准样条，注塑条件如表5。对注塑机制备的样条进行检测，检测方法和国标依据如表6。

表5 用注塑机注塑条件Tab.5 Injection molding conditions with injection molding machine

表6 样条的检测方法和依据Tab.6 Detection method and basis of spline

2 结果与讨论

2.1 CaCO3填充量对产品性能的影响

在其他助剂种类及添加量不变的情况下，改变CaCO3填充量，查看产品力学性能的变化，CaCO3不同填充量改性PBAT产品性能见图1、图2。

图1 不同CaCO3填充量对产品拉伸强度、弯曲强度的影响Fig.1 Effect of different CaCO3 filling amount on tensile strength and bending strength of products

从图1看出，随着CaCO3含量的增加，复合材料的力学性能明显变化，拉伸强度先增大后减小；弯曲强度随着CaCO3含量增加而增大；从图2看出，简支梁缺口冲击强度和简支梁非缺口冲击强度，随着CaCO3含量增加呈现先升高后降低的趋势；这是由于在共混体系中，少量CaCO3由于粒径小，活化能高，加入后能增大PBAT的拉伸强度，随着填充量的增加，由于CaCO3与PBAT相容性不好，同时高含量CaCO3会造成分散不均匀，团状分布，导致力学性能下降；冲击强度下降后升高，表明碳酸钙含量增加，抗冲击能力会增大。综合实验结果以及下游客户需求，选定CaCO3填充量为30%，不仅保持了复合材料的性能，还可以降低材料的成本。

图2 不同填充量对产品冲击强度的影响Fig.2 Effect of different filling amount on impact strength of products

2.2 润滑剂添加量对产品性能的影响

由于CaCO3填充量30%时，由于含量高，会导致分散不好，发生团聚行为，需要添加润滑剂来进一步改善力学性能；在其他物质确定的情况下，改变润滑剂用量，查看产品的性能变化。润滑剂添加量对产品性能的影响见图3、图4。

图3 润滑剂不同添加量对产品拉伸强度、弯曲强度的影响Fig.3 Effect of lubricant addition on tensile strength and bending strength of products

图4 润滑剂不同添加量对产品冲击强度的影响Fig.4 Effect of lubricant addition on impact strength of products

从图3、图4看出，随着润滑剂用量的增加，产品拉伸强度增大，弯曲强度变化不大，冲击强度减小。所用润滑剂分子结构中间是极性双酰胺基，两端为非极性基团，对CaCO3有润湿和分散作用，对拉伸强度有一定的提高作用。从物理性能变化同时考虑加工成本，选择润滑剂用量为0.4%。

2.3 扩链剂添加量对产品性能的影响

PBAT在加工应用中，可能会出现与CaCO3相容性不佳以及加工性能差的问题，可加入少量扩链剂进行改善；在PBAT切片、CaCO3、其他助剂种类及添加量确定的情况下，改变扩链剂添加量，查看产品力学性能的变化，扩链剂对产品性能的影响见图5、图6。

从图5、图6看出，扩链剂加入提高制品的拉伸强度、弯曲强度，同时提高其抗冲击性能，这是因为扩链剂中多环氧基团存在，与PBAT的端羟基和端羧基反应，使CaCO3和PBAT基体间形成良好的界面粘结，通过两相界面层的过渡层可以承受外力，从而使材料的力学性能增大；但同时扩链剂的加入造成熔指大幅度降低，熔体强度增大，对下游吹膜客户使用造成影响。加入扩链剂后，可加工性变差，进料量低，熔压高，电流高。过多的扩链剂会造成PBAT树脂基体发生部分交联，限制了分子链的运动，同时扩链剂价格高，从性价比方面看，使用扩链剂会使制品成本大幅提高。综合性能，扩链剂添加量选为0.2%。