超细凹土改性PPB的制备工艺和性能研究
目录
1 引言 1
1.1 PP-B树脂的组成与结构 1
1.2 PP-B树脂的性能 1
1.3 国内外PP-B树脂的应用 2
1.3.1 国外PP-B树脂的应用现状 2
1.3.2 国内PP-B树脂的应用现状 2
1.4 国内外有关PP-B树脂改性研究的方法 3
1.4.1 复合技术改性PP树脂 3
1.4.2 共混技术改性PP树脂 3
1.4.3 纳米技术改性PP树脂 4
1.5 凹凸棒石黏土 4
1.5.1 组成与结构 4
1.5.2 凹土的性质 5
2 本论文的主要研究内容 5
2.1 主要研究内容 6
2.2 研究方案 7
2.3 特色与创新之处 7
3 实验部分 8
3.1 原料和仪器 8
3.1.1 原料 8
3.1.2 主要仪器及设备 8
3.2 实验过程 8
3.2.1 挤出工艺探索 8
3.2.2 注塑工艺参数探索 9
3.2.3 PP-B/AT复合材料的制备 9
3.3 复合材料的表征与性能测试 9
3.3.1 扫描电子显微镜观察 9
3.3.2 拉伸性能测试 9
3.3.3 维卡实验分析 10
3.3.4 同步热分析 10
4 结果与讨论 10
4.1 工艺条件对复合材料制备的影响 10
4.1.1 共混温度的影响 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
> 4.1.1 共混温度的影响 14
4.1.3 混合时间的影响 15
4.1.4 注塑条件的影响 15
4.2 复合材料的表征与性能测试 16
4.2.1 冲击断面电镜扫描 16
4.2.2 拉伸性能测试 17
4.2.3 维卡实验分析 20
4.2.4 同步热分析 23
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 引言
PP-B树脂主要用于管道输送，但是其耐高温能力和抗蠕变能力较弱，大大限制了PP-B管材的应用。虽然目前关于改性PP-B的研究报道很多，但关于PP-B管材专用料改性的研究甚少。为使极大拓展PP-B管材的使用范围，本文采用了熔触共混法制备PP-B/凹土复合材料。研究了混合时间、混合温度、螺杆转速等工艺条件对PP-B/凹土复合材料结构和最终性能的影响，并分析了改性PP-B方法的机理。
1.1 PP-B树脂的组成与结构
嵌段共聚聚丙烯，英文名称Poly Propylene Block Copolymer，以下简称PP-B，是利用先进的气相共聚工艺，将丙烯单体和少量的乙烯单体在加热、加压和催化剂作用下共聚得到的，它的乙烯含量较高，一般为7-15%。在分子序列中，两个乙烯单体及三个单体连接在一起的概率非常高，乙烯单体仅存在嵌段相中[1]。其分子长链是由丙烯均聚物链段同乙烯均聚物链段交替排列而组成的。可示意为：
PPP（EEEPEEPE） P ─ 丙烯 E ─ 乙烯
其分子结构式为：
(CH2—CH2) m (CH—CH2)n
CH3 m、n均为大于1的自然数
在此共聚物中，丙烯单体链段和乙烯单体链段所占的比例不同，其物理性能也不相同[2]。
1.2 PP-B树脂的性能
PP-B树脂是PP-B管材的主要组成部分，PP-B管材除了具有一般塑料管重最轻、耐腐蚀、耐高温、不结垢、使用寿命长等特点外，还具有以下特性[3]：
（1）良好的卫生性能，无味，PPB属碳氢化合物，其所加助剂也符合食品卫生要求，不仅可用于冷热水系统，而且可用于纯水系统；
（2）保温节能，PPB材料导热系数为0.21w / (m-K)，可以有效地降低热能的损失，减少能量的损耗；
（3）良好的耐热性能，PPB管的维卡软化点为85℃，最高工作温度可达95℃，在1MPa、70℃条件下，可使用50年，可完全满足一般条件下建筑给排水设计规范中关于热水系统的使用要求；
（4）安装方便、连接可靠，PPB管材、管件使用同种材料加工而成，使用热熔连接和电熔连接，连接简便，且连接部位的强度大于管材本体的强度；
（5）原料可回收使用，PPB管材、管件在生产和施工中产生的废料可回收使用，一般回收料添加里不超过10%，经济效益明显；
（6）设备要求简单、生产工艺简便易控制，PPB管材可长时间连续生产而且生产工艺稳定；
（7）管材宜径可达60mm，甚至达200mm；
（8）管道布设可采 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
用串联方式进行，明暗铺设均可。
1.3 国内外PP-B树脂的应用
1.3.1 国外PP-B树脂的应用现状
由于各国所处自然条件的不同，以及各国经济发展水平和应用习惯的不同，PP-B塑料管材在世界各国的实际应用状况是不相同的。
由于整个欧洲是处于高纬度区（北纬35°～80°），气候较为寒冷，故要求供应的热水和采暖的温度都相对较高。尽管PP-B管材也可用于热水管，但其在高温下的长期抗蠕变性能，于欧洲所处的气候带中，尚显“高处不胜寒”。因而，继PP-B（Ⅱ型）问世后，又相继开发出了PP-R（Ⅲ型），并在欧洲德国、意大利等很多国家得到广泛的应用[4]。
而韩国全境处于中低纬度区，即北纬35°～40°之间的温带区域，气候较温和。60℃上下的热水或采暖系统，已完全可满足使用要求。且由于PP-B低温抗冲击性能远胜于PP-R，价格又比PP-R便宜。因而，十多年来，在韩国全力发展并成功地应用了PP-B，反而找不到一点点儿PP-R管材的应用踪迹[5. 6]。
1.3.2国内PP-B树脂的应用现状
1994年，PP-B管材生产线，首次进入中国的东北延边，从此，PP-B管材在吉林省东部地区，在给水和地板采暖系统方面逐渐得到了推广和应用[7]。从1998年起，随着韩国PP-B管材生产线技术与设备在长江以北地区的大量引进，PP-B管材的开发和应用，在全国得到了飞速地发展。
从地理区域气候特点方面来说，“二江一河”流域及其相间区域的热水及采暖管道系统乃至全国各地的地板事采暖、冷水管道系统，应是PP-B管材的优势应用区[8]。
1.4 PP-B树脂改性研究的方法
PP-B树脂是目前塑料管材生产很流行的原料，但是其耐高温能力和抗蠕变能力较弱，大大限制了PP-B管材的应用。为了改善PP-B管材性能并拓宽其应用领域，需对管材料进行改性。
1.4.1 复合技术改性PP树脂
目前国外已有许多厂家开始用复合技术改性管。采用等离子喷镀焊接装置对铝箔焊接端进行焊接生产的复合管，是一种内外塑料层覆盖的铝管，借助铝层提高了管的刚性和强度。采用粘合法将铝箔从铝箔卷筒经过涂布站供往内层管道，采用多组回转环和夹紧辊将铝箔卷绕在内层管上，提高了管的抗渗透性，同时也提高了管的稳定性。采用螺旋卷绕方式将一层铝箔卷绕于内层塑料管上，采用该方式卷绕的封闭层斌予管优异的抗氧性，同时，采用保护性外层夹套对铝箔进行加固，提高了管的刚性和稳定性。铝塑复合改性管，降低了塑料管材的线膨胀系数，大幅度降低了管道的蠕变性能，提高了耐压强度、改善了低温抗冲击性能。以PP管和管件为内衬，经表面处理后与玻璃钢复合，形成独特的PP/玻琅钢复合结构，既保持了PP的优点，又发挥了玻璃钢轻质、高强度的优点，提高了PP管的耐热、耐压等级，且导热系数小、管线不必保温。大量节约了不锈钢等金属材料，其价格是不锈钢的1/5，降低了成本。该管可消除长期难以解决的跑、冒、滴、漏等问题，减少了环境污染，改善了劳动条件。曾兆华等用苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物和纳米CaCO3对PP改性制得复合改性PP管，该管的力学性能好，成型收缩率小，达到了国外同类产品的先进水平，具有广阔的发展前景[9]。
1 引言 1
1.1 PP-B树脂的组成与结构 1
1.2 PP-B树脂的性能 1
1.3 国内外PP-B树脂的应用 2
1.3.1 国外PP-B树脂的应用现状 2
1.3.2 国内PP-B树脂的应用现状 2
1.4 国内外有关PP-B树脂改性研究的方法 3
1.4.1 复合技术改性PP树脂 3
1.4.2 共混技术改性PP树脂 3
1.4.3 纳米技术改性PP树脂 4
1.5 凹凸棒石黏土 4
1.5.1 组成与结构 4
1.5.2 凹土的性质 5
2 本论文的主要研究内容 5
2.1 主要研究内容 6
2.2 研究方案 7
2.3 特色与创新之处 7
3 实验部分 8
3.1 原料和仪器 8
3.1.1 原料 8
3.1.2 主要仪器及设备 8
3.2 实验过程 8
3.2.1 挤出工艺探索 8
3.2.2 注塑工艺参数探索 9
3.2.3 PP-B/AT复合材料的制备 9
3.3 复合材料的表征与性能测试 9
3.3.1 扫描电子显微镜观察 9
3.3.2 拉伸性能测试 9
3.3.3 维卡实验分析 10
3.3.4 同步热分析 10
4 结果与讨论 10
4.1 工艺条件对复合材料制备的影响 10
4.1.1 共混温度的影响 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
> 4.1.1 共混温度的影响 14
4.1.3 混合时间的影响 15
4.1.4 注塑条件的影响 15
4.2 复合材料的表征与性能测试 16
4.2.1 冲击断面电镜扫描 16
4.2.2 拉伸性能测试 17
4.2.3 维卡实验分析 20
4.2.4 同步热分析 23
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 引言
PP-B树脂主要用于管道输送，但是其耐高温能力和抗蠕变能力较弱，大大限制了PP-B管材的应用。虽然目前关于改性PP-B的研究报道很多，但关于PP-B管材专用料改性的研究甚少。为使极大拓展PP-B管材的使用范围，本文采用了熔触共混法制备PP-B/凹土复合材料。研究了混合时间、混合温度、螺杆转速等工艺条件对PP-B/凹土复合材料结构和最终性能的影响，并分析了改性PP-B方法的机理。
1.1 PP-B树脂的组成与结构
嵌段共聚聚丙烯，英文名称Poly Propylene Block Copolymer，以下简称PP-B，是利用先进的气相共聚工艺，将丙烯单体和少量的乙烯单体在加热、加压和催化剂作用下共聚得到的，它的乙烯含量较高，一般为7-15%。在分子序列中，两个乙烯单体及三个单体连接在一起的概率非常高，乙烯单体仅存在嵌段相中[1]。其分子长链是由丙烯均聚物链段同乙烯均聚物链段交替排列而组成的。可示意为：
PPP（EEEPEEPE） P ─ 丙烯 E ─ 乙烯
其分子结构式为：
(CH2—CH2) m (CH—CH2)n
CH3 m、n均为大于1的自然数
在此共聚物中，丙烯单体链段和乙烯单体链段所占的比例不同，其物理性能也不相同[2]。
1.2 PP-B树脂的性能
PP-B树脂是PP-B管材的主要组成部分，PP-B管材除了具有一般塑料管重最轻、耐腐蚀、耐高温、不结垢、使用寿命长等特点外，还具有以下特性[3]：
（1）良好的卫生性能，无味，PPB属碳氢化合物，其所加助剂也符合食品卫生要求，不仅可用于冷热水系统，而且可用于纯水系统；
（2）保温节能，PPB材料导热系数为0.21w / (m-K)，可以有效地降低热能的损失，减少能量的损耗；
（3）良好的耐热性能，PPB管的维卡软化点为85℃，最高工作温度可达95℃，在1MPa、70℃条件下，可使用50年，可完全满足一般条件下建筑给排水设计规范中关于热水系统的使用要求；
（4）安装方便、连接可靠，PPB管材、管件使用同种材料加工而成，使用热熔连接和电熔连接，连接简便，且连接部位的强度大于管材本体的强度；
（5）原料可回收使用，PPB管材、管件在生产和施工中产生的废料可回收使用，一般回收料添加里不超过10%，经济效益明显；
（6）设备要求简单、生产工艺简便易控制，PPB管材可长时间连续生产而且生产工艺稳定；
（7）管材宜径可达60mm，甚至达200mm；
（8）管道布设可采 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
用串联方式进行，明暗铺设均可。
1.3 国内外PP-B树脂的应用
1.3.1 国外PP-B树脂的应用现状
由于各国所处自然条件的不同，以及各国经济发展水平和应用习惯的不同，PP-B塑料管材在世界各国的实际应用状况是不相同的。
由于整个欧洲是处于高纬度区（北纬35°～80°），气候较为寒冷，故要求供应的热水和采暖的温度都相对较高。尽管PP-B管材也可用于热水管，但其在高温下的长期抗蠕变性能，于欧洲所处的气候带中，尚显“高处不胜寒”。因而，继PP-B（Ⅱ型）问世后，又相继开发出了PP-R（Ⅲ型），并在欧洲德国、意大利等很多国家得到广泛的应用[4]。
而韩国全境处于中低纬度区，即北纬35°～40°之间的温带区域，气候较温和。60℃上下的热水或采暖系统，已完全可满足使用要求。且由于PP-B低温抗冲击性能远胜于PP-R，价格又比PP-R便宜。因而，十多年来，在韩国全力发展并成功地应用了PP-B，反而找不到一点点儿PP-R管材的应用踪迹[5. 6]。
1.3.2国内PP-B树脂的应用现状
1994年，PP-B管材生产线，首次进入中国的东北延边，从此，PP-B管材在吉林省东部地区，在给水和地板采暖系统方面逐渐得到了推广和应用[7]。从1998年起，随着韩国PP-B管材生产线技术与设备在长江以北地区的大量引进，PP-B管材的开发和应用，在全国得到了飞速地发展。
从地理区域气候特点方面来说，“二江一河”流域及其相间区域的热水及采暖管道系统乃至全国各地的地板事采暖、冷水管道系统，应是PP-B管材的优势应用区[8]。
1.4 PP-B树脂改性研究的方法
PP-B树脂是目前塑料管材生产很流行的原料，但是其耐高温能力和抗蠕变能力较弱，大大限制了PP-B管材的应用。为了改善PP-B管材性能并拓宽其应用领域，需对管材料进行改性。
1.4.1 复合技术改性PP树脂
目前国外已有许多厂家开始用复合技术改性管。采用等离子喷镀焊接装置对铝箔焊接端进行焊接生产的复合管，是一种内外塑料层覆盖的铝管，借助铝层提高了管的刚性和强度。采用粘合法将铝箔从铝箔卷筒经过涂布站供往内层管道，采用多组回转环和夹紧辊将铝箔卷绕在内层管上，提高了管的抗渗透性，同时也提高了管的稳定性。采用螺旋卷绕方式将一层铝箔卷绕于内层塑料管上，采用该方式卷绕的封闭层斌予管优异的抗氧性，同时，采用保护性外层夹套对铝箔进行加固，提高了管的刚性和稳定性。铝塑复合改性管，降低了塑料管材的线膨胀系数，大幅度降低了管道的蠕变性能，提高了耐压强度、改善了低温抗冲击性能。以PP管和管件为内衬，经表面处理后与玻璃钢复合，形成独特的PP/玻琅钢复合结构，既保持了PP的优点，又发挥了玻璃钢轻质、高强度的优点，提高了PP管的耐热、耐压等级，且导热系数小、管线不必保温。大量节约了不锈钢等金属材料，其价格是不锈钢的1/5，降低了成本。该管可消除长期难以解决的跑、冒、滴、漏等问题，减少了环境污染，改善了劳动条件。曾兆华等用苯乙烯/丁二烯/苯乙烯共聚物和纳米CaCO3对PP改性制得复合改性PP管，该管的力学性能好，成型收缩率小，达到了国外同类产品的先进水平，具有广阔的发展前景[9]。
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