聚丙烯回收料的改性研究
摘要
关键词
聚丙烯；回收料；包装件；改性；冲击强度；拉伸强度
正文
聚丙烯 (PP) 是一种产量大、应用广泛的通用热塑性塑料，具有密度小、性价比高、耐化学腐蚀性好、易加工成型、可回收利用等优[1]，在食品包装行业、电子电器、建筑、汽车等领域具有广泛应用。
聚丙烯材料作为一种广泛使用的塑料，其制品的回收利用可以有效改善塑料对环保的影响[2]。同时聚丙烯材料也存在强度和韧性都不高、对缺口冲击敏感等特点，限制了其应用[3]。因此聚丙烯材料经常根据使用要求进行改性。近些年，随着晶须制备工艺的不断完善，晶须的价格也不断降低，聚丙烯材料使用各类晶须进行改性的研究也不断深入[4-5]，例如碳酸钙晶须、硫酸钙晶须、硫酸镁晶须等，这些晶须中硫酸镁晶须用于聚丙烯材料改性的研究相对较少。
本研究使用PP制品的粉碎料为主要原材料，通过引入玻纤、威达美、硫酸钡晶须以及对应的助剂，制备不同配方的增强PP改性复合材料，并对其力学性能进行了系统表征。
实验所采用的PP材料主要是使用各类PP制品的回收粉碎料（不同牌号的无规则混合料），主要PP牌号包括：独山子石化PP DY-W0723F、台湾塑胶工业PP 1120、中石化PP H-T03、武汉石化PP K8009等 。
实验采用的其他材料及试剂见表1-1
表1-1 实验所涉及的材料及试剂
序号 | 名称 | 生产厂家 |
1 | 威达美6202 | 埃克森美孚 |
2 | 玻纤 | 云天化重庆复合材料有限公司 |
硫酸钡晶须 | 江西峰竺 | |
KT-22 | 沈阳科通 | |
5 | NA-50 | 深证金大全 |
（二）实验方法
1.PP改性复合材料
PP改性复合材料研究主要涉及强度及韧性，主要的测试方法：
拉伸性能测试：按国家标准 GB/T1040.1-2018 进行,试样为哑铃型,试样尺寸为11.5 mmx4mm,拉伸速度为50 mm/min，23℃。
弯曲性能测试：按国家标准 GB/T9341-2008进行,试样为条型,尺寸为80mmx10 mmx4 mm,弯曲速度为50 mm/min,23℃。
冲击性能测试：按照国家标准 GB/T 1043.1-2008 对其进行了冲击性能测试，A型缺口侧向冲击，23℃。
（三）样品的制备
将PP回收粉碎料、玻璃纤维、硫酸钡晶须和各类助剂按一定比例预混后加入双螺杆造粒机进行造粒。温度控制在200℃左右，加料速度控制在30kg/h，真空排气口真空度控制在0.06-0.08MPa，最终经水冷切粒，得到3-5mm的圆柱状PP改性复合材料。将得到的复合材料通过注塑工艺进一步制备成实验所需的样条。
按表2-1的配比制备PP改性复合材料，选用KT-22作为PP材料与玻纤的相容剂，玻纤比例选择为30%[6]。制备样品后，按表1-2测试样条的各项性能，分别测5组并取平均值，结果见表2-1。
配方 | PP粉碎料 | 玻纤（短） | 威达美6202 | 相容剂 KT-22 | 拉伸强度 （MPa） | 断裂伸长率 (%) | 弯曲强度 （MPa） | 冲击强度（KJ/m2） |
配方1 | 100 | 0 | 0 | 0 | 21.31 | 155.12 | 859.03 | 37.61 |
配方2 | 70 | 30 | 0 | 0 | 36.98 | 3.17 | 2579.91 | 3.11 |
配方3 | 67 | 30 | 3 | 4 | 51.33 | 9.04 | 3286.70 | 6.37 |
配方4 | 65 | 30 | 5 | 4 | 59.27 | 12.49 | 3192.53 | 6.19 |
配方5 | 60 | 30 | 10 | 4 | 55.98 | 13.93 | 2805.71 | 7.48 |
配方6 | 55 | 30 | 15 | 4 | 51.59 | 14.25 | 2497.29 | 9.75 |
将不同含量威达美（配方2到配方6）制备的复合材料性能数据制成性能图，如图2-1：
图2-1 不同比例威达美制备的复合材料性能图
由表2-1和图2-1可以看出，威达美6202对复合材料的强度和韧性都有提升作用。添加威达美和相容剂后，复合材料在拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度上均有明显改善。这是因为威达美作为丙烯基弹性体，其与 PP 基体具有较好的相容性，能够在材料内部形成弹性网络结构。当材料受到外力作用时，弹性体相可以吸收能量，从而提高材料的韧性，表现为断裂伸长率和冲击强度的增加。在拉伸强度方面，适量的威达美能与玻纤协同作用，使得拉伸强度升高，在5%时达到最高值，但随着威达美添加量的进一步增加，拉伸强度和弯曲强度有所下降，这可能是由于过多的弹性体相在材料中形成了较软的区域，削弱了材料的整体刚性。而断裂伸长率和冲击强度则随着威达美添加量的增加总体呈上升趋势，说明威达美在增韧方面的效果较为显著。
（二）硫酸钡晶须对PP改性复合材料性能的影响
在前面配方体系中引入硫酸钡晶须，并选择NA-50作为体系的相容剂，按表2-2的配比制备PP改性复合材料。并按表1-2测试样条的各项性能，分别测5组并取平均值，结果见表2-2。
表2-2采用不同比例硫酸钡晶须制备PP改性复合材料配方表
配方 | PP粉碎料 | 玻纤（短） | 威达美6202 | 硫酸钡晶须 | 相容剂 NA-50 | 拉伸强度 （MPa） | 断裂伸长率 (%) | 弯曲强度 （MPa） | 冲击强度（KJ/m2） |
配方7 | 65 | 30 | 5 | 5 | 0 | 60.49 | 10.71 | 4424.34 | 8.27 |
配方8 | 65 | 30 | 5 | 5 | 0.2 | 73.93 | 13.60 | 4980.85 | 8.49 |
配方9 | 65 | 30 | 5 | 10 | 0.2 | 79.55 | 12.36 | 6271.22 | 9.08 |
配方10 | 65 | 30 | 5 | 15 | 0.2 | 65.49 | 10.91 | 4481.76 | 8.08 |
配方11 | 65 | 30 | 5 | 20 | 0.2 | 59.15 | 9.76 | 3876.94 | 7.19 |
配方12 | 65 | 30 | 5 | 25 | 0.2 | 50.09 | 8.91 | 3052.94 | 6.54 |
将不同含量晶须（配方8到配方12）制备的复合材料性能数据制成性能图，如图2-2：
图2-2 不同比例硫酸钡晶须制备的复合材料性能图
由表2-2和图2-2可以看出，当在复合体系中加入相容剂 NA-50 后，复合材料性能得到了提升这表明 NA-50 作为相容剂，能够有效改善硫酸钡晶须与 PP 基体及玻纤之间的界面相容性，减少界面缺陷，从而提高材料的力学性能。
当相容剂分数不变，随着硫酸钡晶须添加量的变化，材料性能呈现先上升后下降的趋势，只有断裂伸长率是呈整体下降趋势。当硫酸钡晶须添加量为10%时，各项性能达到最佳。这是因为适量的硫酸钡晶须能够在材料中起到增强作用，其较高的长径比可以有效传递应力，提高材料的刚性和强度。而当硫酸钡晶须添加量超过 10% 后，材料性能逐渐下降。这可能是由于过多的晶须在材料中容易发生团聚现象，导致应力集中，反而降低了材料的力学性能。
三、小结
（1）威达美6202与 PP 基体相容性良好，能在材料内部形成弹性网络结构。添加威达美（及其匹配的相容剂后）复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均有明显改善。
（2）相容剂 NA-50 的引入有效改善了硫酸钡晶须与 PP 基体及玻纤之间的界面相容性，提升了材料力学性能。当相容剂用量固定时，复合材料性能随硫酸钡晶须添加量的增加呈现先上升后下降的趋势，仅断裂伸长率整体呈下降趋势。
（3）通过合理调控威达美和硫酸钡晶须的比例，并配合相应相容剂，可有效改善 PP 回收料的强度与韧性，为 PP 回收料的高值化改性利用提供了可行方向。
参考文献：
[1]曾彪,刘玉飞,王宁,等.玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的研究进展[J].上海塑料,2015,(第2期)
[2]张玉国.塑料包装废弃物回收利用对环境污染的影响研究[J].环境科学与管理,2023,(第11期).
[3]连荣炳,徐名智,李强,等.玻纤增强聚丙烯复合材料性能研究[J].塑料科技,2008,36(8):40-44.
[4]张研然,孙秋菊,姜中丽,等.碳酸钙晶须填充改性聚丙烯的性能研究[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2012,(第2期).
[5]杨继生,陈红兵,刘光志.硫酸钙晶须与硫酸钡协同增强聚丙烯复合材料的制备及性能研究[J].合成材料老化与应用,2019,(第4期).
[6]陈荣源,赵凌锋,刘欣,等.玻璃纤维增强增韧回收聚丙烯复合材料的制备与性能研究[J].塑料科技,2022,(第9期).
作者简介：刘欢（1988.01-），男，汉，四川遂宁人，大学本科学历，工程师，研究方向为：高分子材料加工成型及改性方向
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