聚丙烯(PP)具有综合性能较好、成本较低等优势，是目前产量大、应用广的一种通用高分子材料，但PP存在缺口冲击强度低、低温韧性不佳等缺陷，严重限制其应用范围[1-3]。与橡胶或弹性体共混是改善PP韧性的简单、有效的途径，但橡胶粒子的加入通常导致PP的强度和模量大幅度降低，因此，实现刚韧平衡是PP增韧改性研究的热点和难点[4]。随着制造业的变革，塑料制品逐渐向轻量化、薄壁化和高性能化方向发展，要求共混物具有优异的刚韧平衡性，还需要具有良好的加工流动性[5]。PP基体的分子量是影响共混物流动性的关键因素，减小分子量有利于提高共混物流动性，但降低共混物刚性和韧性。为了使PP/弹性体共混物的性能平衡，需要研究PP分子量对共混物性能的影响和作用机制。目前，围绕PP基体参数（如结晶度）、弹性体分散相参数以及相界面性质，对共混物刚韧平衡性的影响已进行大量工作[6]，但对PP基体分子量和共混物性能之间缺乏定量关系的建立。二元乙丙橡胶(EPR)具有耐臭氧、耐候、耐化学腐蚀、高弹性等特点，是设计超韧PP材料（尤其是釜内合金）的重要增韧剂[6]。本实验以PP/EPR共混物为研究对象，探讨PP分子量对增韧共混物强度、刚度和韧性的影响，为设计兼具较高流动性和优异刚韧平衡性的PP新材料提供指导。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP)均为商业化等规PP，表1为PP基本物性参数。不同PP原料的命名基于其数均分子量表示。二元乙丙橡胶(EPR)，J0050，Mw=2.2×105 g/mol，PDI为2.64，中国石油吉林石化公司。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.T001表1PP的基本物性参数Tab.1Basic physical parameters of PP样品重均分子量（Mw）/105（g·mol-1）数均分子量（Mn）/104（g·mol-1）分子量分布指数（PDI）熔体流动速率（MFR）/［g·（10min）-1］生产厂家PP8.83.78.84.263.8泰国石化工业公司PP6.73.86.75.624.2中国石油化工股份有限公司PP5.82.95.85.0711.0泰国石化工业公司PP5.22.85.25.4914.0美国利安德巴塞尔工业公司PP3.82.13.85.6725.0中国石油化工股份有限公司1.2仪器与设备转矩流变仪，Haake Rheomix 600，德国Haake公司；微型注射机，Haake MiniJet II，美国赛默飞世尔科技公司；悬臂梁冲击试验机，XJUD-5.5，承德市金建检测仪器有限公司；万能材料试验机，5967，美国Instron公司；扫描电子显微镜(SEM)，Inspect F，美国Fei公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC 8000，美国Perkin Elmer公司。1.3样品制备将PP原料放入真空干燥箱(50 ℃)干燥12 h，将PP与EPR按比例加入转矩流变仪，190 ℃、60 r/min转速下熔融共混5 min，制得PP/EPR共混物。共混物中EPR的含量分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%。共混物命名PPx/EPR(y/z)，x为Mn的1/104、y/z为PP与EPR的质量比。如：PP5.8/EPR(80/20)表示Mn为5.8×104 g/mol、PP/EPR质量比为80/20的共混物。1.4性能测试与表征缺口冲击强度测试：按ISO 180—2000进行测试，测试温度(23±2) ℃。样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。拉伸性能测试：按ISO 527-2-5A—2012进行测试，测试温度为(23±2) ℃，测试速度5 mm/min。哑铃形样条，中间矩形部分尺寸为30 mm×4 mm×2 mm。SEM分析：将试样在液氮中浸泡2 h，沿垂直于流动方向脆断，利用二甲苯将脆断面刻蚀4 h，经去离子水清洗、干燥以及喷金处理，观察样品表面形貌。结晶形貌测试采用浓硫酸/浓磷酸/高锰酸钾混合刻蚀液刻蚀样品的脆断面，刻蚀24 h，利用稀硫酸、过氧化氢和去离子水清洗刻蚀面，经干燥和喷金处理，观察样品表面形貌。DSC分析：以10 ℃/min的速率升温至200 ℃，在200 ℃下恒温3 min以消除热历史，再以10 ℃ /min的速率降温至30 ℃。N2气氛，气体流速50 mL/min。PP结晶度(Xc)的计算公式为：Xc=ΔHmφPPΔHm0 （1）式（1）中：φPP为共混物中PP质量分数，%；ΔHm为测得的熔融焓，J/g；ΔHm0为PP的标准熔融焓，209 J/g。2结果与讨论2.1PP/EPR共混物力学性能分析图1为Mn和EPR含量对PP/EPR共混物冲击韧性的影响。从图1a可以看出，随着EPR含量的增加，共混物的冲击强度先逐渐增加，在EPR含量达到某一临界值（临界EPR含量）时迅速提高，随后趋于平缓或保持不变，发生典型脆韧转变。Mn对脆韧转变所需的临界EPR含量影响较大，Mn越大临界EPR含量越低，表明Mn的增大有利于提升共混物增韧效果。临界EPR含量与基体Mn之间并不是简单线性关系。从图1b可以看出，Mn在(5~7)×104 g/mol的范围内，临界EPR含量由27%急剧减少至14%。从图1c可以看出，EPR含量相同时(10%~40%)，PP/EPR共混物的冲击强度随Mn变化的曲线也不是线性关系，在该分子量范围内发生明显的脆韧转变。对于PP/EPR增韧共混物，PP还存在一个临界Mn，PP的Mn高于5×104 g/mol时，共混物增韧效率才能够快速提升。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F001图1Mn和EPR含量对PP/EPR共混物冲击性能的影响Fig.1The influence of Mn and EPR content on impact properties of PP/EPR blends脆韧转变温度(TB-D)也是衡量增韧效果的重要参数。TB-D越低，共混物的使用温度也越低。图2为不同基体分子量下PP/EPR(70/30)共混物的TB-D。从图2可以看出，所有共混物均表现明显的脆韧转变，随着分子量的增加，冲击韧性不断提高、TB-D也随之降低，说明增加基体分子量有利于增韧，使共混物在更低温度下有效增韧。EPR含量在10%~40%的范围内，共混物均表现类似的脆韧转变行为，且EPR含量高于20%后，该转变更显著。为了避免相似数据重复呈现，仅以PP/EPR(80/20)或PP/EPR(70/30)为例，探讨共混物结构与性能随PP分子量的变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F002图2Mn对不同PP/EPR（70/30）共混物脆韧转变行为的影响Fig.2The influence of Mn on brittle ductile transition behavior of different PP/EPR（70/30） blends图3为EPR含量和Mn对PP/EPR共混物拉伸强度和弹性模量的影响。从图3a和图3b可以看出，所有共混物的拉伸强度和弹性模量均随EPR含量的增加而减小，说明EPR在增韧PP的同时，导致PP的强度和刚度明显损失。同时，Mn对共混物的拉伸强度和弹性模量也具有显著影响。从图3c和图3d可以看出，Mn相同时，随着Mn的不断提高，共混物的拉伸强度和弹性模量均不断增加，说明提高Mn不仅有利于增韧，而且有利于保持强度和刚度，容易实现刚韧平衡。Mn由3.8×104 g/mol增至8.8×104 g/mol，PP/EPR(70/30)的拉伸强度从19.3 MPa增至25.1 MPa，弹性模量从0.76 GPa增至1.14 GPa。Mn对PP/EPR的刚性和韧性均具有显著影响，拉伸强度和弹性模量随分子量的增大而增加。Mn高于5×104 g/mol时，增韧效率更高，共混物更容易实现刚韧平衡。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F003图3Mn和EPR含量对对PP/EPR共混物拉伸性能的影响Fig.3The influence of Mn and EPR content on the tensile properties of PP/EPR blends2.2PP/EPR共混物的基体结晶分析为了揭示影响Mn与共混物性能关系的因素，分析不同分子量PP基体的结晶度和结晶形态。图4为不同分子量PP基体的DSC升温曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F004图4不同分子量PP基体的DSC升温曲线Fig.4DSC heating curves of PP matrix with different molecular weights从图4可以看出，Mn对PP基体的熔融温度和结晶度均没有明显影响。图5为不同分子量PP基体的结晶形貌SEM照片。从图5可以看出，随Mn的增大，PP基体的结晶形貌未发生变化，均呈现典型球晶形貌（球晶的界面区如图5中红色线框所示），球晶尺寸没有显著差异。说明基体结晶并不是导致Mn与共混物韧性之间呈现非线性关系的关键原因。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F005图5不同Mn下PP的结晶形貌的SEM照片Fig.5SEM images of crystal morphology of PP under different Mn2.3PP/EPR共混物的EPR分散相形态分析EPR分散相的形貌和粒径尺寸对增韧共混物的冲击韧性具有较大影响[6-8]，而基体/分散相的黏度比是影响分散相形态和尺寸的重要因素[9-10]。PP/EPR的黏度比随着基体分子量的增加而增大，此时EPR分散相的粒径可能增大，最终影响共混物的性能。因此，为了更好地分析Mn对PP/EPR共混物性能的影响，需要分析分散相形态及其粒径变化。图6为不同Mn下PP/EPR(80/20)的相形态，表2为分散相EPR尺寸结果（每个试样统计约500个EPR）。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.F006图6不同PP/EPR（80/20）共混物的SEM照片Fig.6SEM images of different PP/EPR（80/20） blends10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.003.T002表2不同PP/EPR（80/20）共混物分散相的粒径Tab.2Statistical data of the EPR particle size for different PP/EPR（80/20） blends共混物数均粒径（dn）重均粒径（dw）PP8.8/EPR（80/20）0.350.38PP6.7/EPR（80/20）0.450.54PP5.8/EPR（80/20）0.590.62PP5.2/EPR（80/20）0.760.91PP3.8/EPR（80/20）1.091.32μmμm从图6和表2可以看出，所有PP/EPR共混物均呈现典型的“海岛”相结构，但Mn对EPR分散相粒径影响显著。Mn由3.8×104 g/mol增至8.8×104 g/mol，EPR粒子尺寸随而明显减小，dn由1.09 μm减至0.35 μm。需要说明的是，对于其他EPR含量的PP/EPR共混物，其粒径随Mn的变化规律与此相同，不再逐一呈现。因此，PP/EPR共混物冲击韧性和临界EPR含量随Mn的非线性变化可能与分散相粒子的变化密切相关。3结论Mn对PP/EPR的力学性能具有明显影响。随着Mn的增加，共混物的拉伸强度和模量线性增加、脆韧转变温度线性减小，但缺口冲击韧性在(5~7)×104 g/mol的范围内跳跃性增加。脆韧转变所需临界EPR含量由27%减至14%。表明增大Mn虽然对PP的结晶度和晶体形貌没有明显影响，但PP/EPR黏度比增大，使EPR分散相的粒径减小，因此增韧共混物的冲击韧性急剧提高、临界EPR含量减少。