pe樣本樹脂炭黑分散性能的研究

pe樣本樹脂炭黑分散性能的研究

生產(chǎn)黑色pe板有兩種方法。首先，使用混合材料直接填充。其次，生產(chǎn)所采用的主要木材是預(yù)混合的黑色鐵粉。采用本色樹脂預(yù)先混合色母料的方法生產(chǎn)PE管材,減少了生產(chǎn)混配料的二次加工,降低生產(chǎn)成本。雖然在不同的國際標(biāo)準(zhǔn)中對管材做出了不同的解釋和要求,但對管材炭黑分散的要求大體一致。本色樹脂預(yù)混炭黑色母料可以滿足各種國際標(biāo)準(zhǔn)中炭黑分散要求。本文利用轉(zhuǎn)矩流變儀研究了本色樹脂預(yù)混色母料混合過程中各因素對炭黑分散的影響。1實驗部分1.1差示掃描量熱儀檢測本色樹脂:PE80,上海石化;色母料:杭州大華廠;轉(zhuǎn)矩流變儀:HAAKEHBISystem90,德國HAAKE公司;差示掃描量熱儀:DSC-7,美國PE公司;熱重分析儀:Pyris1TGA,美國PE公司;相差顯微鏡:日本Nikon公司。1.2樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在一定溫度下,將不同炭黑色母料和本色樹脂同時加入轉(zhuǎn)矩流變儀的混合腔中進(jìn)行混合,炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.5%。本色料和色母料熔點的測定:差熱掃描量熱(DSC)法。取10mg左右樣品,在動態(tài)氧、氮氣(40mL,氧/氮=2/3)氣氛下,升溫速率為10℃/min。炭黑分散表觀等級的測定:熱壓片顯微觀察法。炭黑含量分析:熱失重分析法。2結(jié)果與討論2.1最佳炭黑分散溫度的確定60gPE80樹脂中添加一定量的炭黑色母料,在50r/min轉(zhuǎn)速下混合7min,考察不同混合溫度下產(chǎn)物中的炭黑分散性,結(jié)果見圖1。經(jīng)測定,混合物中炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為2%～2.5%。由圖1可見,色母料a、b在175℃左右達(dá)到最佳分散效果,色母料c在170℃達(dá)到最佳分散效果,色母料d于180℃附近達(dá)到最佳分散效果。由此可以說明,在同樣本色樹脂中加入不同的色母料,混合溫度對于炭黑分散效果有一定的影響,但基本在160～180℃達(dá)到最佳分散效果。60gPE80中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的不同炭黑色母料,在50r/min轉(zhuǎn)速下于不同混合溫度下混合,其混合過程中的最大混合轉(zhuǎn)矩與混合溫度的關(guān)系見圖2所示。用DSC測定炭黑色母料及本色樹脂的熔點列于表1。由圖2可見,與本色樹脂相比,炭黑的加入使轉(zhuǎn)矩減小,可以認(rèn)為是炭黑起了潤滑劑的作用。不同炭黑的潤滑作用略有不同,色母料c的潤滑效果最好。從圖2同時可見,在高溫下,即達(dá)到最佳炭黑分散溫度(160～180℃),本色樹脂的轉(zhuǎn)矩變化很小。表2為不同色母料與本色樹脂(條件同上)在最佳混合溫度下混合的最大轉(zhuǎn)矩。從表2可以發(fā)現(xiàn),不同色母料的最佳炭黑分散溫度雖然各不相同,但所對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩均在61～64N·m之間。對照表1和圖1發(fā)現(xiàn),混合溫度高于色母料熔點50℃時,可使炭黑達(dá)到最佳分散;由于使用同種本色樹脂,炭黑分散效果主要取決于炭黑熔點與溫度的關(guān)系。從表2發(fā)現(xiàn),最佳混合溫度時的最大轉(zhuǎn)矩基本不變。這說明溫度對炭黑分散的影響主要體現(xiàn)在通過升高溫度,本色樹脂和色母料達(dá)到一定熔融程度,這種熔融有利炭黑和樹脂表面的接觸和束緊。而從圖2可以看出,在160～180℃下,本色樹脂轉(zhuǎn)矩相對不變,產(chǎn)物轉(zhuǎn)矩下降的原因是炭黑達(dá)到一定流變時的潤滑作用。從而可以確定,最佳炭黑分散溫度的本質(zhì)是溫度對炭黑色母料熔融狀態(tài)的影響。即高于炭黑色母料熔點50℃達(dá)到炭黑最佳分散溫度。2.2混合時間的確定60gPE本色樹脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的色母料a,在不同溫度下用轉(zhuǎn)速和時間做正交實驗,分析其與炭黑分散之間的關(guān)系,結(jié)果如圖3和圖4所示。由于長時間混合易使PE降解,所以混合時間控制在10min以內(nèi)。從圖3中可看出,轉(zhuǎn)速為50r/min,且混合時間在5min以內(nèi)時,平均炭黑分散等級均大于2.0,這是由于短時間不利于炭黑色母料的凝聚體充分分散,仍存在凝聚體密集堆積的炭黑大顆粒;5min后,炭黑顆粒分散均勻,其表面積增大,分離為完全不連續(xù)的原生凝聚體,炭黑表面被樹脂完全覆蓋,達(dá)到較理想的炭黑分散;而且隨時間增加,炭黑的分散等級基本不變。因此確定5min為最佳混合時間。從圖4可以看出,混合時間為7min時,轉(zhuǎn)速過小和過大對炭黑分散不利;適當(dāng)?shù)募羟辛τ欣谔亢谀垠w和樹脂表面充分的接觸,50r/min可以達(dá)到較好的炭黑分散。2.3色母料最佳炭黑分散程度的確定炭黑分散性除了取決于物理混合因素外,也取決于炭黑色母料本身性質(zhì),主要取決于色母料顆粒炭黑特性單元——原生凝聚體的尺寸和結(jié)構(gòu)。粒徑越小,分散效果越好。由大量支化和交聯(lián)原生粒子構(gòu)成的凝聚體稱為“高結(jié)構(gòu)”,其凝聚體中心距離大,相鄰單元吸引力小,“高結(jié)構(gòu)”內(nèi)存在較大空間,可“束緊”更多樹脂,有利分散。不同的色母料在最佳物理混合條件下?lián)碛胁煌奶亢诜稚⒊潭?。由圖1可見,色母料c具有最佳炭黑分散。色母料c粒徑小、結(jié)構(gòu)高,凝聚體作用力小、分散均勻。圖5為不同炭黑色母料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%)在最佳物理條件下混合所得產(chǎn)物的顯微直觀圖。由圖5a可見,炭黑凝聚體達(dá)到完全分散,無密集大顆粒,質(zhì)地均勻。圖5b、c、d分別存在未能完全分散的炭黑大顆粒。從直觀圖可以判斷不同色母料炭黑分散性能。2.4混合料的性能由以上實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀中PE80樹脂和色母料混合的優(yōu)選條件為:色母料選擇c,混合溫度170℃,轉(zhuǎn)速50r/min,混合時間5min。在該條件制得混合料與英國預(yù)混成品料(BP)的性能進(jìn)行對比列于表3,由表3可以看出,自制的混合料的各項指標(biāo)和進(jìn)口料相比,無論在力學(xué)性能,硬度,還是在熔點和軟化點等熱學(xué)性能上都非常接近;而在分散等級和熱穩(wěn)定性上優(yōu)于BP。從而說明預(yù)混料完全可以達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3最佳色母料的確定1)在HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀中,溫度和轉(zhuǎn)速與炭黑分散呈下凹分布曲線,混合溫度高于色母料熔點50℃為最佳炭黑分散溫度?；旌蠒r間5min可達(dá)到最佳炭黑分散,其后基本不變,最佳轉(zhuǎn)速為50r/min。2)在HAAKE轉(zhuǎn)矩流變儀中,在最佳分散條件下,本色樹脂添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5