增容剂对热塑性淀粉-聚丙烯复合材料的力学及流变加工性能的影响.docVIP

增容剂对热塑性淀粉/聚丙烯复合材料的力学及流变加工性能的影响 　　1 引言 　　淀粉是一类应用广泛的可生物降解的天然高分子材料，由于其分子间强烈的氢键作用而并不具有塑料的加工和使用性能。加入增塑剂( 如甘油) 可破坏淀粉原有的结晶结构，使分子结构无序化，实现由晶态向非晶态的转化，淀粉分子间和分子内的氢键作用被削弱从而使其具有热塑性，转变成热塑性淀粉( TPS) ，从而获得一定的加工性能。目前，热塑性淀粉的强度、模量等力学性能以及耐水性明显不足，在某些应用领域很难满足实际使用的性能要求。 　　将热塑性淀粉与传统石油基塑料共混是改善TPS性能有效方法之一。然而，由于热塑性淀粉是亲水性物质，而石油基塑料是典型的非极性高分子，从热力学观点来看，它们的相容性差，得不到分子共容的均相体系。而增容剂中含有与两相都能相互作用的基团，它可以有效提高共混体系中两相之间的相容性，改善材料的微观形态，提高其力学性能。常用的增容剂有MA-g-PE、MA-g-PP及EAA( 乙烯-丙烯酸酯)等。 　　力学和流变加工性能是材料在实际使用和生产中首要考虑的性能，本文选用常用的增容剂MA-g-PP，系统研究了其添加量( 质量分数为0 ～ 8%) 对TPS /PP 复合材料体系力学和流变加工性能的影响，以期对生产实践有所借鉴。 　　2 实验 　　2. 1 主要原材料 　　玉米淀粉: 食品级，含水率为13. 6%，山东恒仁工贸有限公司; 甘油: 分析纯，国药集团化学试剂有限公司; PP: F401，熔融指数为2 g /10 min ( 230 ℃，2. 16 kg) ，扬子石化-巴斯夫有限责任公司; PP-g-MA:接枝率为0. 9 mA% ～ 1. 1 mA%，熔融指数为40 g /10min( 190 ℃，2. 16 kg) ，南京塑泰高分子科技有限公司。 　　2. 2 样品制备 　　2. 2. 1 TPS 的制备 　　分别称取450 g 天然淀粉和150 g 甘油，将两者快速搅拌均匀。在SHJ-20 型双螺杆挤出机( 南京杰恩特公司) 上塑化挤出，各区温度控制在105，110，116 及110 ℃，转速为150 r /min，挤出后冷却造粒。 　　2. 2. 2 TPS /PP 体系的制备 　　以TPS 和PP( m( TPS) ∶ m( PP) = 3∶ 2) 为原料，Ma-g-PP 为增容剂，分别以0，2%，4%，6% 和8% 比例的增容剂，再次利用SHJ-20 挤出机塑化挤出，各区温度控制在175，185，185 和180 ℃，转速为150 r /min，挤出后冷却造粒。并采用上海纪威机械工业有限公司的注塑机( 90-BV 型) 进行注塑，各区温度控制在185，190，190 和185 ℃。 　　2. 3 测试与表征 　　利用万能试验机，CMT4204，新三思材料检测有限公司，测试哑铃型样条力学性能，拉伸速率为20 mm/min，每种样品测量5 次，取平均值; 热重分析( TG) : 采用德国耐驰公司TG 209 F1 型热重分析仪测试样品热稳定性，升温速率20 ℃ /min; 利用转矩流变仪，RTIO-55 /20，广州市普同实验分析仪器有限公司，单螺杆挤出毛细管流变仪，RCSI-20 /25，广州普同实验分析仪器有限公司和熔融指数仪，XRL-400，承德精密试验机有限公司，测试样品的流变性能，转矩流变仪的转子速度20 r /min，各区温度为190，190，190，190 ℃，单螺杆挤出毛细管流变仪的转子转速分别设定为1，5，10，15 和20 r /min，测试标准时间为120 s，毛细管长径比为15 /1，熔融指数仪的测试温度为230 ℃，负荷为2. 16 kg。 　　3 结果与讨论 　　3. 1 力学性能 　　加入增容剂PP-g-MA 后体系的拉伸强度得到明显提高，当增容剂含量为4% ( 质量分数) 时，对应的拉伸强度达到最高13. 55 MPa。这是由于在熔融挤出过程中，增容剂PP-g-MA 上的酸酐基团能够同淀粉上的羟基发生酯化反应形成酯键，而且它能够与淀粉上的羟基形成氢键，在淀粉和PP 之间形成了一个化学“连接桥”，提高淀粉与PP 之间的相容性，进而提高了体系的拉伸强度。然而，随着增容剂含量的继续增加，TPS /PP 体系的拉伸强度明显下降，这是由于随着酸酐量的增加，不仅会使聚丙烯链段在加工过程中发生断裂，而且由于MA-g-PP 在体系中分散不均匀，有的可能渗透到PP 相内部，形成了一个胶束区域，这可能会破坏体系的力学性能。 　　此外，从图1 还可看出，随着增容剂的含量增加，材料的断裂伸长