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長(zhǎng)春應(yīng)化所王曉東、武漢紡織大學(xué)姜偉/金晶/高云寶 Macromolecules：開(kāi)發(fā)高剛性、高抗沖均聚聚丙烯復(fù)合材料的新策略
2024-05-02  來(lái)源：高分子科技

  聚合物的增韌通常是以犧牲其剛性為代價(jià)的。目前市場(chǎng)上聚丙烯材料要么具有高剛性，要么具有高韌性，二者似魚(yú)和熊掌難以兼得。研究團(tuán)隊(duì)之前的理論研究表明核殼增韌粒子增韌聚合物具有較好的剛韌平衡性，而且核的模量越高、殼的模量越低越有利于材料的剛韌平衡（Polymer, 2020, 191, 122237）。在此基礎(chǔ)上。本論文的理論研究表明通過(guò)調(diào)節(jié)核殼結(jié)構(gòu)的組成及含量可以同時(shí)提高聚合物材料的韌性和剛性，并在實(shí)驗(yàn)上成功得到了高剛性（彎曲模量1.6GPa，是純PP的1.4倍）、高韌性（缺口沖擊強(qiáng)度44.6kJ/m2，是純PP的22倍）的SiO2/POE核殼顆粒增韌均聚聚丙烯復(fù)合材料。


  他們之前的理論研究表明以PP為核、EPR為殼的核殼橡膠粒子和以PE為核、EPR為殼的核殼橡膠粒子增韌PP復(fù)合材料理論上模量損失值分別為5.4%和13.5%（Polymer, 2020, 191, 122237）。當(dāng)核的模量大于基體的模量時(shí)，是否會(huì)得到比基體模量還高的核殼粒子增韌的聚丙烯？為此，他們選擇了無(wú)機(jī)粒子SiO2為核，POE為殼的核殼粒子，并在理論上給出了作為有效增韌劑允許SiO2粒子在核殼粒子中最高含量值。對(duì)模量的理論研究結(jié)果表明：當(dāng)核的模量大于基體的模量時(shí)，可以得到比基體模量還高的核殼粒子增韌的聚丙烯；復(fù)合材料的模量隨核殼粒子含量的增加先升高后降低，即出現(xiàn)一峰值；隨著SiO2粒子在核殼粒子中比例的增加，該峰值升高并向高含量方向移動(dòng)（圖1）。峰值模量有利于材料的剛性，但是從韌性的角度該峰值所對(duì)應(yīng)的核殼粒子含量必須大于脆韌轉(zhuǎn)變的臨界值。 


圖1：復(fù)合材料模量與基體模量比在不同POE與SiO2比例下隨核殼粒子含量φcs變化。

  實(shí)驗(yàn)研究表明：在PP/POE二元共混體系中（圖2A），當(dāng)POE含量低于15 wt%時(shí)，材料為脆性斷裂，而當(dāng)POE含量為20%時(shí)，為韌性斷裂。在PP/SiO2/POE體系中(圖2B)，隨著核殼橡膠粒子含量的增加，所有復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度也隨之增大，表現(xiàn)出明顯的脆韌轉(zhuǎn)變，并且隨著POE與SiO2比例的降低，核殼粒子的臨界含量增加。 


圖2.（A）PP/POE共混物的缺口沖擊強(qiáng)度與POE含量的關(guān)系。（B）不同POE和SiO2比例下CSRP含量對(duì)PP/SiO2/POE復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的影響。

  圖3A給出了彎曲模量隨著核殼粒子含量的變化。結(jié)果表明：隨著核殼粒子含量增加，復(fù)合材料的彎曲模量先增加，然后減小。核殼結(jié)構(gòu)中SiO2含量越大，復(fù)合材料的彎曲模量越高。另外，隨著SiO2含量的增加，彎曲模量的峰值位置向高核殼粒子含量的方向移動(dòng)。這些與圖1的理論結(jié)果一致。為方便比較，復(fù)合材料的峰值相對(duì)模量隨POE/SiO2比例變化的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4B。當(dāng)POE與SiO2比例高時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果有較高的一致性。當(dāng)比例降低時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯高于理論結(jié)果。因?yàn)?/span>理論結(jié)果是基于所有的SiO2顆粒都與POE 形成核殼結(jié)構(gòu)，而在實(shí)驗(yàn)中由于POE與SiO2比例較低時(shí)，很難保證所有的SiO2都形成核殼粒子。 


圖3.（A）PP/SiO2/POE復(fù)合材料彎曲模量隨CSRP含量的變化關(guān)系；（B）不同POE/SiO2比例下的理論和實(shí)驗(yàn)的模量結(jié)果。

  將實(shí)驗(yàn)所得的復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行匯總（圖4A），并與目前商業(yè)化的聚丙烯材料（圖4A）對(duì)比可以看出他們所得到的高剛性（>1500MPa）、高韌性（>40kJ/m2）的聚丙烯復(fù)合材料填補(bǔ)了該區(qū)域的空白。 


圖4 聚丙烯韌性和剛性分布圖：A本實(shí)驗(yàn)所得，B商業(yè)化聚丙烯。


  總結(jié)：他們給出了同時(shí)提高均聚聚丙烯的剛性和抗沖擊性的新策略，即以核為高剛性的無(wú)機(jī)粒子，殼為軟的橡膠或彈性體粒子增韌聚丙烯。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，復(fù)合材料的模量隨核殼粒子含量的增加先升高后降低，即出現(xiàn)一峰值，而且隨著SiO2粒子在核殼粒子中比例的增加，該峰值升高并向高含量方向移動(dòng)（圖1）。峰值模量有利于材料的剛性，但是從韌性的角度該峰值所對(duì)應(yīng)的核殼粒子含量必須大于使聚丙烯發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變的臨界值。 將二者相結(jié)合，成功得到的高剛性（彎曲模量>1500MPa）、高抗沖（缺口沖擊強(qiáng)度>40kJ/m2）的聚丙烯復(fù)合材料，填補(bǔ)了聚丙烯材料在該區(qū)域的空白。


  論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所博士生王曉東，通訊作者為武漢紡織大學(xué)姜偉、金晶、高云寶。


  論文信息：Xiaodong Wang, Yunbao Gao*, Jing Jin*, Wei Jiang *. A Strategy to Develop Homo-Polypropylene Composites with High Impact and High Rigidity. 

  鏈接地址：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02530

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