聚丙烯土工格栅专用母粒研究

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(1 神华宁夏煤业集团有限责任公司煤制油化工研发中心，宁夏银川 750411；2 神华宁夏煤业集团有限责任公司烯烃一分公司，宁夏银川 750411)

聚丙烯土工格栅专用母粒研究

孟永智1，田广华1，曾祥国2，焦旗1，申宏鹏1

(1 神华宁夏煤业集团有限责任公司煤制油化工研发中心，宁夏银川 750411；2 神华宁夏煤业集团有限责任公司烯烃一分公司，宁夏银川 750411)

研究了两种自制母粒对聚丙烯1102K力学和热学性能的影响，并与进口格栅专用母粒进行对比。结果表明：2#母粒具有非常突出的增韧效果，添加量为1%时，冲击强度提高了460%，拉伸断裂强度提高了19.5%，但是刚性有所损失；1#母粒对聚丙烯有很好的刚韧平衡性，当添加量为3%时，样品的屈服强度提高了6.9%，断裂强度提高了8.7%，综合性能优于进口母粒，可以在聚丙烯土工格栅领域推广应用。

土工格栅，聚丙烯，专用母粒，熔融结晶

塑料土工格栅是一种新型土木工程合成材料，具有强度高、抗变形能力强、质量轻、韧性好、抗疲劳、抗老化、耐酸碱腐蚀性好等优良性能。在经济和技术性能上优于金属、石材等传统加固土工材料，是理想的土木工程加固、加筋和防护材料。土工格栅能大幅减少基础沉降、增强工程整体性能、提高工程质量、延长工程寿命、降低工程造价等，被广泛应用于公路、铁路、机场、煤矿、港口、水利等地基处理工程[1-3]。20世纪80年代英国耐特龙公司首先开发成功了塑料土工格栅，被迅速应用于土木工程中，被国外土木工程界公认为继水泥之后的第四大建筑材料，并很快在世界范围内得到推广应用。我国1998年自主研制出塑料土工格栅生产线，现已具备生产各种不同规格格栅的能力，其使用量持续快速增长，显示出了广阔的应用前景[4-5]。

聚丙烯(PP)是一种性能优良的热塑性合成树脂，由于具有密度低，力学性能优异，绝缘及耐腐蚀性能优良，被广泛用于制造塑料土工格栅[6-9]。聚丙烯土工格栅在生产中需要对冲孔的板材持续拉伸5～10倍，最终得到的格栅制品具有较高的拉伸强度。因此，用于制作土工格栅产品的聚丙烯原料应该具有较高的拉伸断裂强度和断裂伸长率，才能满足土工格栅制品高强度及加工过程中不发生断裂的要求[10]。本文研究了两种自制土工格栅专用母粒对聚丙烯1102K性能的影响，并与进口专用母粒的性能进行对比，研发了能有效提高聚丙烯综合性能的母粒配方，有望在聚丙烯土工格栅领域推广使用。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

聚丙烯1102K，神华宁夏煤业集团；1#母粒，自制；2#母粒，自制；3#母粒，国外进口。

双螺杆挤出造粒机，ZSK26型，科倍隆机械有限公司；注塑机，BT80V-Ⅱ型，博创机械股份有限公司；鼓风干燥箱，DHG-9245A型，上海慧泰仪器有限公司；恒温恒湿仪，KBF240，德国宾得公司；万能材料试验机，INSTRON 5966型，美国INSTRON公司；缺口制样机，CEAST AN50，CEAST公司；冲击试验机，CEAST 9050，CEAST公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC200F3型，德国耐驰机械仪器有限公司；熔体流动速率仪，MFI-2322，承德金建检测仪器有限公司。

1.2 样品制备

首先以聚丙烯1102K为基料与不同的助剂制成一定浓度的母粒，然后母粒与聚丙烯1102K按照一定的比例计量加入双螺杆挤出机中挤出造粒。造粒条件：螺杆直径26mm，长径比40，螺杆转速3600r/min，负荷25kg/h，挤出机各部分温度设置：T1=188℃，T2=195℃，T3=205℃，T4～T7=210℃，T8、T9=200℃。

将挤出切粒后的样品在80℃真空烘箱中干燥2h，然后注射成型样条。注塑条件：注塑温度220℃～230℃，模温45℃，注射压力90bar，注射时间2s，保压压力80bar，保压时间25s，冷却时间45s。

样条在23℃、相对湿度50%的条件下放置48h后，进行性能测试。

1.3 性能测试

1.3.1 熔融指数测试

依据GB/T 3682-2000测定。测试样品质量为4g，温度230℃，负荷2.16kg，样品预热时间4min。

1.3.2 熔融和结晶性能测试

用差示扫描量热仪进行测试。在氮气保护下，用铟作为标准物对温度和熔融焓进行校准。样品质量约为8mg，初始温度为30℃；以20℃/min的速率将样品快速升温到200℃，恒温5min，消除热历史；再以20℃/min的速率降温到50℃，恒温5min；最后以20℃/min的速率升温到200℃，恒温5min结束。

1.3.3 力学性能测试

样品的简支梁缺口冲击性能，通过摆锤冲击试验机在常温下测得。样品的拉伸与弯曲性能，使用万能材料实验机测得，拉伸速度20mm/min，弯曲速度2mm/min。

2 结果与讨论

2.1 热学性能

熔融指数是表示聚合物熔体流动性能的一个参数，与熔体粘度成反比，熔融指数越高聚合物熔体的流动性越好。样品的熔融指数如表1所示，可以看出三种母粒的添加对聚丙烯1102K的熔体流动性能没有太大影响。

表1 不同母粒对1102K热学性能的影响Table 1 Effect of different masterbatch on thermal properties of 1102K

续表1

编号熔融指数/(g/10min)熔融温度/℃熔融焓/(J/g)结晶温度/℃结晶焓/(J/g)结晶度/%1102K+2#1%3781531/16511023119794548951102K+2#2%3781540/16811035119493149521102K+2#3%3861534/16801023120092948951102K+3#2%3891555/16581075121010055144

采用DSC表征了样品的熔融结晶性能，由表1可以看出，三种母粒都具有提高聚丙烯结晶度的功能，说明三种母粒均具有成核效果。1#母粒效果最好，添加量为1%时，结晶度提高了2.68%，3#母粒与1#母粒基本相当，2#母粒对聚丙烯结晶度提高幅度相对较小。

图1、图2分别为添加1#、2#母粒后对1102K熔融结晶性能的影响曲线。

图1 1#母粒对1102K熔融结晶性能的影响Fig.1 Effect of 1# masterbatch on melt crystallization of 1102K

图2 2#母粒对1102K熔融结晶性能的影响Fig.2 Effect of 2# masterbatch on melt crystallization of 1102K

由图1可以看出，1#母粒对1102K的熔融温度几乎没有影响；添加3#母粒后熔融曲线上出现了双峰，155℃附近的峰是典型的β晶型的熔融峰，说明3#母粒对1102K具有β成核效果。由结晶曲线可以看出，1#母粒使1102K的结晶温度明显提高，添加1%时，结晶温度提高了13.8℃，之后，随着添加量的增加，结晶温度有缓慢增大的趋势。3#母粒添加量为2%时，结晶温度提高了10.7℃。结晶温度的提高有利于聚丙烯加工成型。

由图2可以看出，2#和3#母粒添加后熔融曲线上均出现了双峰，说明两种母粒对1102K均具有β成核效果，2#母粒β晶的峰值更高，说明形成的β晶更多，β晶型能够有效提高聚合物的韧性，可以预测2#母粒可以提高样品的抗冲击性能；而且随着添加量的增加167℃附近的峰越小，这也是2#母粒结晶度较小的原因。结晶曲线可以看出，2#母粒使1102K的结晶温度有所提高，但提高的幅度较3#母粒略小。

2.2 力学性能

样品的冲击强度如表2所示，可以看出，1#母粒使样品的冲击强度略有降低；2%母粒使样品的冲击强度大幅提高，添加量为1%时，冲击强度提高了460%，而且随着添加量的增加，冲击强度呈上升趋势；3#母粒添加2%时，冲击强度提高了188%。

表2 不同母粒对1102K力学性能的影响Table 2 Effect of different masterbatch on mechanical properties of 1102K

聚丙烯土工格栅产品对原料的拉伸屈服强度和断裂强度有很高的要求。从表2可以看出，1#母粒对样品的屈服强度和断裂强度均有提高，当添加量为3%时，屈服强度提高了6.9%，断裂强度提高了8.7%；2#母粒对样品的断裂强度有较大幅度的提高，但是屈服强度有所降低，添加量为1%时，断裂强度提高了19.5%，屈服强度下降了16.8%；3#母粒对样品的屈服强度基本没有影响，添加2%时，断裂强度提高了8.6%。可见，1#母粒对1102K有很好的刚韧平衡性，性能优于进口母粒，可以在聚丙烯土工格栅领域推广应用。

3 结论

通过研究两种自制母粒对聚丙烯热学和力学性能的影响，并且与进口母粒进行对比，得出以下结论：

(1)三种母粒1102K均有异相成核作用，都能提高样品的结晶度和结晶温度，而对样品的熔融指数基本没有影响。

(2)1#母粒具有很好的刚韧平衡性，当添加量为3%时，样品的屈服强度和断裂强度都得到了提高，综合性能优于进口母粒，可以在聚丙烯土工格栅领域推广应用。

(3)2#母粒能够大幅度提高1102K的韧性，添加量为1%时，冲击强度提高了460%，断裂强度提高了19.5%，但是样品的刚性损失较大，可以用于对韧性要求较高的领域。

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StudyonSpecialMasterbatchforPolypropyleneGeogrid

MENG Yong-zhi1，TIAN Guang-hua1，ZENG Xiang-guo2，JIAO Qi1，SHEN Hong-peng1

(1 The Research & Development Center of CTL Chemical of SNCG，Yinchuan 750411，Ningxia，China；2 First Branch Olefin Company of SNCG，Yinchuan 750411，Ningxia，China)

Effect of two kinds of self-made masterbatch on the mechanical and thermal properties of polypropylene 1102K were studied，and compared with imported grille dedicated masterbatch.The results showed that：2# masterbatch has a very prominent toughening effect，when the dosage was 1%，the impact strength increased by 460% and the tensile strength increased by 19.5%，but the rigidity has declined；1# masterbatch has good stiffness and toughness for polypropylene，when the dosage was 3%，the yield strength of samples increased by 6.9% and the fracture strength increased by 8.7%，the overall performance is better than imported masterbatch，can be used in the field of polypropylene geogrid.

geogrid，polypropylene，special masterbatch，melt crystallization

TQ 325.1+4