高流动高抗冲耐候聚丙烯复合材料的研制*

李 景，王 飞，陈 超，黄李胜，麦伟宗，许灯波

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

通常，熔体流动速率(MFR)≥20 g/10 min 的聚丙烯树脂被称为高流动性聚丙烯[1]。高流动性聚丙烯(PP)因其具有良好的流动性、综合力学性能、耐热性及质轻价廉等特点，应用在注塑加工方面，容易成型加工，减少注塑缺陷和废品率，加工过程降低加工温度、注射压力等，缩短成型周期，提高产量[2]，广泛应用于汽车、家电、建材、体育设施等领域，但由于PP 本身为高结晶性材料，存在冲击韧性差的缺陷，特别是当加入滑石粉、硅灰石、碳酸钙等无机填料时，虽然解决了其收缩率大的问题，同时也造成材料的抗冲击性能的进一步劣化，因此必须对其进行增韧改性。丁二烯-苯乙烯-丁二烯橡胶(SBS)、三元乙丙橡胶(EPDM）、聚烯烃弹性体(POE)等常被用于PP 的增韧剂[3-7]，其中POE 由于与PP 的相容性更好、价格更低，应用更为广泛[8]。另外，PP 及其制品在加工和使用的过程中均容易受到热、氧、紫外光等外界因素的影响而产生褪色、开裂、粉化等老化现象，导致其性能下降和使用寿命大大缩短。目前提高PP 耐候性的方法主要是添加炭黑、紫外线吸收剂、受阻胺光稳定剂等光稳定化助剂，虽然炭黑可以有效改善PP 的耐候性[9]，但只能用于黑色料的制备，应用领域受限。而紫外线吸收剂和受阻胺光稳定剂则由于大量无机填料的存在而往往会降低其抗老化效能的发挥，对PP 复合材料的耐候性能的改善效果欠佳[10]。

因此，本文通过选择不同种类的PP 和POE，制备了滑石粉填充的高流动高抗冲耐候PP 复合材料，比较了不同种类PP 基体树脂、不同POE 增韧剂对PP 复合材料力学性能和流动性的影响，同时以自制的抗老化助剂对PP 复合材料进行耐候改性，并通过氙灯人工加速老化试验和灰卡评级测试考察了其耐候性能。

1 实验部分

1.1 原料

PP1、PP2 和PP3，均为市售嵌段共聚聚丙烯品种；POE1，MFR=18 g/10 min；POE2，MFR=0.5 g/10 min，均为市售POE 品种；滑石粉：1250 目，广西；扩散油，市售；复配抗氧剂：金海雅宝；光稳定化助剂，自制。

1.2 设备及测试仪器

TSE-65B 型同向双螺杆挤出机，南京瑞亚挤出机械制造有限公司；PL860 型注塑机，海天塑机集团；H10K-S 型万能材料试验机，英国Hounsfield公司；XJF-5.5 型复合式冲击试验机，承德市金建检测仪器有限公司；XNR-400B 熔融指数仪，承德市金建检测仪器有限公司；Q-Sun Xe-3HS 氙灯人工耐候试验机，美国Q-Lab 公司。

1.3 试样制备

将PP、POE、扩散油按配比(如表1 所示)称重投入高速搅拌机混合1 min～2 min 后，将滑石粉、抗氧剂、抗老化剂、色粉一同加入继续搅拌混合2 min～3 min 得到预混物。再将预混物通过在双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，挤出温度范围为160 ℃～220℃，喂料转速为35r/min、主机转速为400 r/min。粒料经注塑机注塑成测试用标准试样。

表1 PP 复合材料的实验配方 Table 1 The prescription of PP composites

1.4 测试与表征

拉伸试验按GB/T 1040-2006 进行，拉伸速率为20 mm/min；悬臂梁缺口冲击试验按 GB/T 1843-2008 进行，摆锤能量5.5J；弯曲试验按GB/T 9341-2008 进行；熔体流动速率测试按 GB/T 3682-2000 进行；氙灯人工加速老化按 GB/T 16422.2-1999 进行，辐照度(340 nm)0.5 W/m2，黑板温度(65±3) ℃，相对湿度(50±5)%，喷水周期18 min 喷水/102 min 无水；色差测试按GB/T7921-2008 进行。

2 结果与讨论

PP 基体树脂是PP 复合材料的主要成分，它的性能对整个复合材料起着关键作用。试验研究希望改性得到的PP 复合材料具有高流动性和高韧性，所以在选取PP 基体树脂时，首先考虑其抗冲性能和熔体流动速率等性能，由于嵌段共聚聚PP 实际上是由聚丙烯、聚乙烯和末端嵌段共聚物组成的混合物，其不仅保持了一定程度的刚性，又因为乙烯嵌段的存在破坏了PP 的结晶而提高了材料的冲击性能，因此本文选定了PP1、PP2、PP3 这三个牌号的市售嵌段共聚聚丙烯作为PP 复合材料的基体树脂，其缺口冲击性能和熔体流动性能数据如表2 所示。

表2 PP 基体树脂的抗冲性能和熔体流动性能数据 Table 2 Data of MFR and impact properties of PP resin

2.1 滑石粉对不同PP材料的抗冲性能和流动性的影响

滑石粉能有效减小聚丙烯的收缩率并提高聚丙烯的刚性，以15 份的滑石粉对上述三种嵌段共聚PP 进行填充改性，比较了其对PP 复合材料改性前后的流动性和抗冲性能的影响，测试结果数据如表3 所示。

从表3 中数据可见，添加了15 份的滑石粉后，以PP1、PP2 和PP3 为基体树脂的三种PP 复合材料的熔体流动速率(MFR)和缺口冲击强度均有所下降，MFR 下降幅度依次为3.6%、5.8%、3.2%,影响并不大。而缺口冲击强度降低较为明显，下降幅度依次为10.9%、16.0%、12.4%，其中以PP2 为基体树脂的复合材料的缺口冲击性能下降最为明显。

表3 滑石粉填充改性PP 复合材料的抗冲性能和 熔体流动速率(MFR) Table 3 MFR and impact properties of PP composites modified with talc

2.2 不同POE 对PP 复合材料力学性能和流动性的影响

在上述滑石粉填充PP 配方基础上，本文进一步选取两种不同熔融指数的POE 分别对以PP1、PP2 和PP3 为基体树脂的PP 复合材料进行增韧改性，研究了其对PP 复合材料力学性能和流动性的影响，相关测试结果如表4 所示：

表4 不同POE 对PP 复合材料性能的影响 Table 4 Effect of different POE on the properties of PP composites

由表4 中数据可知，POE 对以不同PP 为基体树脂的复合材料的缺口冲击强度均有不同程度提高作用，尤其是对以PP1 为基体树脂的复合材料，MFR=18 g/10 min 的POE1使其缺口冲击强度从9.8 kJ/m2上升至28.4 kJ/m2，提高了189.8%，而MFR=0.5 g/10 min的POE2 对复合材料缺口冲击强度提高幅度更大，从9.8 kJ/m2上升至31.6 kJ/m2，高达222.4%。同时，以PP1 为基体树脂的复合材料的断裂伸长率均高于以其它两种PP 为基体的复合材料，其中尤以POE2改性PP1 为基体的复合材料的断裂伸长率性能最佳，达到108%。

此外，由表4 中MFR 数据可知，POE 本身的熔体流动性对PP 复合材料的熔体流动性有着正相关的影响。在相同比例添加的条件下，选用MFR=0.5g/10min 的POE2 改性的PP 复合材料的流动性比选用MFR=18g/10min 的POE1 要偏低，尤其在以PP1 为基体树脂的复合材料中更为明显。

综合以上研究结果可知，对制备滑石粉填充的高流动高抗冲PP 复合材料，PP 基体树脂的选择非常重要。尽管PP1、PP2、PP3 三个牌号的PP 的原始性能十分接近，但是经过相同的POE 增韧改性后得到的复合材料的性能则大相径庭。笔者认为这可能与PP 树脂的合成工艺、PP 树脂中的乙烯含量、聚乙烯嵌段分布等微相结构有关，此问题有待进一步研究。

2.3 高流动高抗冲聚丙烯的耐候性能研究

PP 材料及其制品在户外使用时，日光中的紫外光很容易造成PP 大分子链断裂，分子链断裂形成的自由基会进一步引发PP 降解，造成材料发生开裂、脆化、变色等老化现象，并最终导致材料力学性能的显著下降。特别是添加了色粉的PP 材料及其制品，在光氧老化条件下极易发生褪色，并直接影响到制品的外观。色差(E△ )和灰卡评级是评价其外观颜色变化的两种重要手段， E△ 其值越小，表明材料的颜色变化越小，而灰卡评级级别越高，表明材料的颜色变化越小。本文在B2 配方基础上添加自制的光稳定化助剂，同时选取四种主色调(红、黄、蓝、绿)的环保级别色粉，制得本色和不同颜色的高流动高抗冲耐候PP 复合材料，以氙灯人工加速老化试验、色差和灰卡评级测试对其耐候性能进行了评价，相关测试结果如表5 所示。

表5 PP 复合材料的色差和灰卡评级测试结果 Table 5 △E and Gray Card Rating PP composites

由表5 可知，除蓝色PP 复合材料外，本色和有色PP 复合材料随着氙灯人工加速老化时间的延长，相对色差也随之增大，表明PP 复合材料发生了老化降解。本色PP 复合材料经过1500h 氙灯老化后，相对色差只有2.27，灰卡评比为4 级，颜色变化不大。由于本色PP 复合材料优异的颜色稳定性，经过着色后，除了红色PP 复合材料稍差以外，其他颜色复合材料的变色现象均不明显，其中黄色PP 复合材料表现出比本色更为优异的颜色稳定性，相对色差只有1.49，灰卡评级保持在4-5 级，肉眼几乎无法分辨。

3 结论

(1)对制备滑石粉填充的高流动高抗冲PP 复合材料，PP 基体树脂的选择更加重要。对于表观性能接近的PP1、PP2 和PP3 三种PP 树脂而言，POE对PP1 有更为明显的增韧作用。

(2)采用特定PP 和POE 可制得MFR=20.4g/10min、悬臂梁缺口冲击强度为31.6kJ/m2 的高流动高抗冲PP 复合材料，对其进行耐候改性后的氙灯老化试验表明，所采用的光稳定化助剂体系对本色和有色PP复合材料有显著的耐候防护效果。

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