纳米蒙脱土-CPE-PP复合材料制备和性能研究

周文斌 邱琪浩 方义红

（宁波镇洋化工发展有限公司，浙江 宁波 315204）

研究与开发

纳米蒙脱土-CPE-PP复合材料制备和性能研究

周文斌 邱琪浩 方义红

（宁波镇洋化工发展有限公司，浙江 宁波 315204）

采用熔融插层法制备出了纳米蒙脱土（OMMT）-氯化聚乙烯（CPE）-聚丙烯（PP）复合材料，研究了OMMT和CPE的添加对PP基体阻燃性能、力学性能和抗老化性能的影响。结果表明，CPE和OMMT作为阻燃剂添加可有效改善PP的阻燃性能，CPE和OMMT最佳配比为10:1且总质量分数为25%时复合材料可达到难燃级；CPE作为抗冲改性剂，添加CPE可显著改善共混材料在室温及低温下冲击强度；纳米蒙脱土作为抗老化改性剂，可有效改善共混材料的抗老化性能。

蒙脱土；氯化聚乙烯；聚丙烯；复合材料；性能

聚丙烯（PP）是使用最广泛的通用塑料之一，与其他塑料相比，具有密度小、耐挠曲、强度高、较高的耐热温度和良好的耐化学腐蚀、耐应力龟裂等优点，但作为代钢、代木等结构材料和工程塑料应用时，存在着模量明显不足、冲击强度差和形变收缩率大等缺点，限制了其的应用，因此研究者对PP的改性进行了广泛而深入研究[1]。PP的改性方法主要有物理共混法和化学法2大类，共混改性技术包括PP与其他塑料树脂、填充剂共混和与橡胶共混[2]。

聚合物-蒙脱土（OMMT）纳米复合材料具有高耐热性、高强度、高模量、高气体阻隔性和低膨胀系数，而密度仅为一般复合材料的65%～75%，因此PP-OMMT纳米复合材料以其优异的机械性能、耐热以及阻隔性能日益受到广泛青睐[3-4]。但PP填充OMMT通常会降低材料的抗冲强度，采用纳米OMMT和氯化聚乙烯（CPE）进行PP改性是近几年发展起来的一项新技术。CPE是一种热塑性弹性体，具有优良的耐老化性、耐油性、阻燃性及着色性能，且韧性良好，将CPE与PP共混可改善PP的不足，且3者复合可有效改善其力学性能、耐热性能和阻燃性能[5]。因此，纳米OMMT-CPE-PP复合材料已成为纳米复合材料研究中的重要组成部分。

PP-OMMT纳米复合材料的制备方法有熔融插层法和插层聚合法2大类[6]。本研究采用熔融插层法制备出了纳米OMMT-CPE-PP复合材料，研究了CPE、OMMT对复合材料的阻燃性能、力学性能、抗老化性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

PP（T30S），CPE（135A），纳米 OMMT，马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH），复合热稳定剂、润滑剂等。

1.2 设备仪器

高速混合机（SHR-10C型），双螺杆挤出机（MT-36型）， 注塑机 （BT80V-II型）； 氧指数仪（M606型），万能试验机（CMT6104型），数字摆锤冲击试验机（ZBC1400-2 型），氙灯老化试验箱（ASN-500 型）。

1.3 复合材料的制备

分别将 OMMT、CPE、PP、PP-g-MAH 干燥后和复合热稳定剂、润滑剂按配比经高速混合机共混后，由双螺杆挤出机挤出，温度为180～210℃，挤出后水冷却、干燥、切粒机造粒，将粒料置于105℃烘箱中烘干2 h，最后经注塑机注射成标准试样。

1.4 性能测试

冲击性能按GB/T 1843—2008测试；拉伸性能按GB/T 1040.3—2006测试，加载速度50 mm/min；弯曲性能按GB/T 9341—2008测试，加载速度2 mm/min；阻燃性能按GB/T 2406.2—2009测试；氙灯人工气候老化试验按GB/T 16422—1999进行，试验条件：水冷式氙灯（6.6 kW），辐照度（340 nm）0.5 W/m2，黑标温度(65±3)℃，相对湿度(65±5)%，降雨周期喷水/不喷水周期时间 18 min/102 min，老化时间1 000 h[7-11]。

2 结果与讨论

按照1.3节的方法制备了不同CPE、OMMT用量的改性PP材料，分别考察了CPE、OMMT用量与改性PP的阻燃性能、拉伸强度、弯曲模量、冲击强度的关联，其中1#未添加OMMT改性PP，2#、3#和4#分别添加PP质量分数1%、2%和3%的OMMT。

2.1 CPE、OMMT用量对阻燃性能的影响

不同CPE、OMMT用量对改性PP材料阻燃性能——氧指数（OI）的影响见图1。

由图1可知，CPE和OMMT作为阻燃剂添加可有效改善PP的阻燃性能，当CPE添加质量分数达到25%时均可达到难燃级材料，同时CPE和OMMT的质量比10:1时阻燃性能较佳。这表明加入CPE、OMMT后体系的阻燃性能得到了明显的提高。少量OMMT与CPE之间具有协同阻燃作用，这协同阻燃作用对提高聚合物的极限氧指数和阻燃性能有很大帮助。

其作用原理可能为：CPE是一种非结晶性饱和弹性体，有极性集团氯基，分解产生的HCl气体是不燃性气体，可起到稀释作用，且HCl能够抑制高聚物燃烧的连锁反应，使材料的阻燃性能能得到进一步提高[12]。对比不同含量OMMT的阻燃体系，OMMT的加入有助于阻燃性能的提高，但应该控制在质量分数2%左右。

虽然CPE与OMMT复配具有一定的协效阻燃作用，但由于CPE不稳定氯结构的存在导致CPE热稳性较差，高温注塑容易分解释放HCl气体，腐蚀设备及模具，为了避免此现象，需酌情添加复合热稳定剂并适当调整内外润滑剂体系，以此来提高复合材料的整体性能[13]。

2.2 CPE、OMMT用量对力学性能的影响

不同CPE、OMMT用量对改性PP材料的拉伸强度、弯曲模量、冲击强度的影响分别见图2～图4。

由图2可知，材料的拉伸强度随CPE含量的增加而降低，而添加一定量的OMMT可改善其拉伸强度，说明材料中CPE的添加对拉伸强度不利。导致这种现象的原因可能是：CPE和OMMT都是极性物质，与PP相容性较差。虽然体系中添加了PP来改善3者的相容性，但总体来看CPE和OMMT的添加降低了材料的拉伸强度。

由图3可知，材料的屈服强度随CPE含量的增加而降低，而添加一定量的OMMT可较大幅度改善其屈服强度，这可能是因为PP的分子链进入OMMT层间，与OMMT之间的相互作用面积增大，产生的相互作用力增强。

由图4可知，材料的缺口冲击强度随CPE含量的增加而迅速提高，但在CPE添加质量分数达到20%时材料的冲击强度达到最高，同时OMMT的添加也有利于提高材料冲击强度，可见OMMT对PP基体也有一定的增韧作用。

实验证明，在PP中加入增韧弹性体CPE后体系冲击强度有很大提高，材料的特性由脆性向韧性转变。对于体系冲击强度的提高，可以认为是CPE粒子对于PP来说属于弹性成分，能够吸收冲击能量，具有提高材料韧性的作用。加入质量分数20%的CPE和2%的OMMT的PP复合材料在室温下测试缺口冲击强度为15.2 kJ/m2，在-10℃测试PP复合材料冲击强度为7.9 kJ/m2，说明CPE与PP共混能显著改善共混材料在室温及低温下冲击强度。

2.3 CPE、OMMT用量对抗老化性能的影响

工业PP中含有一定数量的发色团，故对紫外光辐射特别敏感，并且PP链上存在着不稳定的叔碳原子，在有氧的情况下，只需要很小的能量就可以将叔碳原子上的氢脱除而成为叔碳自由基。叔碳自由基非常活跃，它能造成分子链的各种反应的发生，包括链增长、链降解，故未经稳定化处理的PP材料耐候性能较差[14]。根据文献，纳米材料具有许多优良特性，尤其是对光具有很好的吸收性能，它可以大量吸收紫外线[15]。

为了考察OMMT的添加对改性PP抗老化性能的影响，实验按1.4节进行人工气候老化试验后测试其材料的冲击强度，结果见表1。

由表1可知：1)PP不耐日光照射，经紫外线照射1 000 h后，冲击强度降低为原来的近一半，这主要是由于PP大分子中叔碳原子上的氢极易受到氧的攻击，脱掉氢后成为起始的活性中心，从而使分子链发生断裂所致；2)加入纳米OMMT后，PP抗紫外线性能有所改善，冲击强度损失可控制在30%以内，这主要是纳米级OMMT对光的吸收，它能吸收大量紫外线，使之转变为热能，从而保护了PP，使PP只能吸收部分紫外线能量，不足以使碳碳键发生断裂。

表1 OMMT-CPE-PP人工气候老化试验后冲击强度Tab 1 Impact strength of OMMT-CPE-PP after artificial weathering test

3 结论

采用熔融插层法，以PP-g-MAH为增容剂、CPE为增韧剂和辅助阻燃添加剂、纳米OMMT作为辅助添加剂，同时在加工过程中添加一定量的热稳定剂、润滑剂，制备了纳米OMMT-CPE-PP复合材料。结果表明：

1)CPE和OMMT作为阻燃剂添加可有效改善PP的阻燃性能，CPE和OMMT的质量比在10:1时阻燃性能较佳，CPE和OMMT总添加质量分数25%时，OMMT-CPE-PP达到了难燃级。

2)CPE是一种优良的抗冲改性剂，添加CPE可显著改善共混材料在室温及低温下的冲击强度，添加质量分数20%的CPE和2%的OMMT的PP复合材料综合力学性能较好，冲击强度达到15.2 kJ/m2、拉伸强度为34.5 MPa、弯曲模量为1 520 MPa。添加的少量OMMT可弥补因CPE添加造成的材料拉伸强度和弯曲强度的损失。

3)在加速人工老化条件下，PP经紫外线照射后，冲击强度发生明显变化。纳米OMMT作为抗老化改性剂，可有效改善共混材料的抗老化性能。

[1]邹恩广,宋磊,郝振军,等.纳米蒙脱土改性PP专用料的开发[J].石油化工,2005,34(增刊):564.

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[7]GB/T 1843—2008塑料 悬臂梁冲击强度的测定[S].

[8]GB/T 1040.3—2006塑料 拉伸性能的测定 第3部分：薄膜和薄片的试验条件[S].

[9]GB/T 9341—2008塑料 弯曲性能的测定[S].

[10]GB/T 2406.2—2009塑料 用氧指数法测定燃烧行为 第2部分：室温试验[S].

[11]GB/T 16422—1999塑料 实验室光源暴露试验方法 第2部分：氙弧灯[S].

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Research on Preparation and Properties of NOMMT-CPE-PP Composite

Zhou Wenbin,Qiu Qihao,Fang Yihong

(Ningbo Oceanking Chemical Developing Corporation,Ningbo,Zhejiang 315204)

Nano-montmorillonite(NOMMT)-chlorinated polyethylene(CPE)-polypropylene(PP)composite was obtained via meltintercalation.The influences of NOMMT and CPE addition on flame retardancy,mechanical properties and anti-aging properties of PP matrix were studied.The experimental results indicated that:CPE and NOMMT added as a flame retardant could effectively improve the flame retardancy of PP,the best ratio of CPE and NOMMT was 10:1 and the composite reached flame retardant grade when the total mass fraction reached to 25%;CPE as impact modifier could significantly improve the impact strength of the blends at room temperature and low temperature;NMMT as anti-aging modifier could effectively improve the anti-aging property of the blends.

montmorillonite;chlorinated polyethylene;polypropylene;composite;properties

TQ325.1+4

ADOI10.3969/j.issn.1006-6829.2012.04.003

2012-05-15