丙綸纖維自增強聚丙烯樹脂的研究*

敖玉輝，孫陽陽，陳 剛，陳麗巖，李連貴

（長春工業大學 化學與生命科學學院，吉林 長春130012）

聚丙烯（PP）具有良好的物理機械性能，耐化學腐蝕性和易加工成型等特點，但PP也存在強度不高、成型收縮率大、制品易翹曲等缺點。因此，對PP增強改性是國內外研究的熱點領域[1]。目前，PP纖維增強改性多以玻璃纖維，天然植物纖維等為主，這些增強纖維雖然可以提高材料的強度，但與此同時大大降低了材料的韌性，影響了材料的使用[2-4]。本文擬用丙綸纖維自增強改性PP，其目的在于通過丙綸纖維對PP樹脂增強的同時，保持丙綸纖維/PP復合材料具有很好的韌性，制備出一種綜合性能好于上述纖維增強PP的新材料。據我們所知，有關丙綸纖維增強PP的研究還未見報道。因此，研究丙綸纖維/PP復合材料具有重要的理論和應用價值。

本文選取丙綸纖維為增強體，PP為基體。研究了不同溫度、丙綸纖維用量對復合材料力學性能的影響，并通過SEM對復合材料微觀結構進行了研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料、設備及儀器

丙綸纖維（240D、900D廣東恒通工業有限公司）；聚丙烯樹脂（K8303粒料MFR為2.0g·10min-1密度為0.92 g·cm-3中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司）。

TM-80型色織打樣機（江蘇省常熟市碧溪紡織機械廠）；Rheocord 90型Haake轉矩流變儀（美國Perkin Elmer公司）；HD-015型平板硫化機（青島亞東橡塑機械有限公司）；3365型材料試驗機（美國Instron公司）；AJU-22型懸臂梁沖擊實驗機（承德材料實驗機廠）；JSM-5600型掃描電子顯微鏡（SEM）（日本電子公司）。

1.3 試樣的制備

（1）丙綸纖維的編織 使用色織打樣紙將不同纖度的丙綸纖維240D和900D在經密70根/10cm、緯密75根/10cm的條件下，紡織成平紋的織物，織物幅寬為28cm。織物表面形態見圖1。圖1（a）是丙綸纖維240D平紋機織物，圖1（b）是丙綸纖維900D平紋機織物。

圖1 丙綸纖維平紋機織物Fig.1 Plain fiber of polypropylene fiber

（2）丙綸纖維/PP復合材料的制備 將PP粒料經轉矩流變儀混合后，用平板硫化機熱壓成板材，熱壓溫度為190℃，壓力為5 MPa。

固定丙綸纖維用量為5%，夾在制備好的PP板材中，放入平板硫化機中熱壓，熱壓溫度為175～205℃，壓力5MPa，制備復合材料板材。固定熱壓溫度為195℃，丙綸纖維按層數添加，纖維用量為PP用量的5%、10%、15%、20%（質量分數），制備復合材料板材。

用啞鈴型刀具把復合材料板材裁成標準樣條，測試拉伸強度，用萬能制樣機把樣條裁成標準樣條，打好缺口，測試缺口沖擊強度。

1.4 材料性能測試

拉伸強度按ASTM-D638測試，拉伸速度為50mm·min-1，測試溫度為23℃；缺口沖擊強度按ASTM-D256測試，測試溫度為23℃。

1.5 微觀結構觀察

為了避免變形，將丙綸纖維/PP復合材料樣品置于液氮中冷凍5h，取出立即脆斷，噴金后進行掃描電鏡（SEM）觀察。

2 結果與討論

2.1 丙綸纖維對復合材料拉伸強度的影響

圖2是聚丙烯拉斷試樣和加入丙綸纖維后拉斷試樣比較圖。

圖2 聚丙烯拉斷試樣和加入丙綸纖維后拉斷試樣比較圖Fig.2 Comparison of polypropylene tension fracture samples and adding polypropylene fiber

從圖2中可以看出，在拉伸過程中，聚丙烯的“頸縮”現象非常明顯，而復合材料這一現象不明顯，出現“發白”現象后，隨之斷裂，脆性大，斷裂口有少量裂紋，加入纖維后復合材料斷裂伸長率變小[5]。

2.1.1 熱壓溫度對復合材料拉伸強度的影響 在熱壓的過程中，很重要的一個問題是基體樹脂能夠充分的浸潤丙綸纖維，這就和聚丙烯在高溫下的粘度有關。溫度過低時，樹脂流動性小，不能充分的浸潤纖維，隨著溫度的升高，分子間的相互作用力減弱，聚合物的熔體粘度降低，流動性增大，可以充分的浸潤丙綸纖維，使得基體與纖維有良好的界面結合，能夠提高復合材料的力學性能[6]。溫度過高時，丙綸纖維分解脆化，網狀結構被破壞，從而影響所制備的復合材料的力學性能。

圖3是不同溫度下，纖維纖度為240D和900D的丙綸纖維對復合材料的拉伸強度影響的關系圖。

圖3 不同溫度下，240D和900D的丙綸纖維對復合材料的拉伸強度影響的測試圖Fig.3 Effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite under different temperatures

從圖3中可以看出，隨著溫度升高，復合材料的拉伸強度呈先升后降的趨勢，在195℃時拉伸強度最高。因此，本文選取的最佳實驗溫度為195℃。

2.1.2 丙綸纖維用量對復合材料拉伸強度的影響 本文選取的最佳實驗溫度為195℃。在此溫度下，將丙綸纖維按層數添加，纖維用量為PP用量的5%、10%、15%、20%（質量分數），研究纖維用量對復合材料力學性能的影響。圖4是纖度為240D和900D丙綸纖維用量對復合材料拉伸強度影響的關系圖。

圖4 240D和900D丙綸纖維用量對復合材料拉伸強度影響的測試圖Fig.4 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite

從圖4中可以看出，隨著復合材料中纖維用量的增多，丙綸纖維/PP復合材料的拉伸強度呈現先升后降的趨勢，在纖維用量為15%時強度達到最高點，240D丙綸纖維/PP復合材料拉伸強度可達25.46MPa，900D丙綸纖維/PP復合材料拉伸強度可達26.88MPa。當纖維用量超過15%以后，拉伸強度有所下降。這是因為纖維用量較少時，丙綸纖維網狀結構作為承載體可以承擔部分載荷，丙綸纖維與PP產生了較好的協同效果，使得拉伸強度上升，而纖維用量較多時，纖維含量過大，無法被基體充分浸潤，纖維與基體樹脂間界面結構變得比較復雜，這樣，破壞了復合材料的拉伸性能，導致拉伸強度降低[7-9]。

2.2 丙綸纖維用量對復合材料沖擊強度的影響

圖5是纖度為240D和900D丙綸纖維用量對復合材料沖擊強度影響的關系圖。

從圖5中可以看出，加入丙綸纖維后復合材料缺口沖擊強度呈現逐漸下降趨勢。聚丙烯基體為韌性材料，一般對復合材料的斷裂韌性有較大的貢獻，但是，由于纖維的加入嚴重限制了基體的變形，從而大大降低了基體對復合材料斷裂韌性的貢獻[10]。隨著纖維用量的增加，復合材料沖擊強度小幅度下降，當纖維用量到20%時，沖擊強度仍保持在400 J·m-1以上，呈現韌性斷裂。

圖5 240D和900D丙綸纖維用量對復合材料沖擊強度影響的測試圖Fig.5 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on impact strength of composite

2.3 丙綸纖維/PP復合材料斷面形貌分析

復合材料的界面是外加載荷通過基體向增強材料傳遞的樞紐，界面的性能對復合材料的力學性能及破壞行為有著重大的影響，為了使纖維增強復合材料充分發揮材料的增強作用，必須在增強材料與基體之間形成有效的界面粘結[11]。采用丙綸纖維增強PP得到的復合材料從微觀上看，這種復合材料骨架是丙綸纖維，基體是PP樹脂，在共同組成的復合結構中，其所起的作用是不同的。樹脂基體使纖維粘結固定，并保護纖維，使其處于穩定狀態，樹脂基體在拉伸應力作用下可產生塑性移動，從而將載荷傳遞到纖維上，由纖維來承擔載荷[11]。

圖6是丙綸纖維/PP復合材料斷面的SEM照片。

圖6 復合材料斷面的SEM照片Fig.6 SEM for fracture surface of composite

圖6（a）、（b）是 175℃和 180℃時丙綸纖維 /PP復合材料斷面的SEM照片。從圖6（a）、（b）中可以明顯看出，丙綸纖維表面與PP基體間界面結合不好，有縫隙，并有纖維拔出的現象，這種界面結合狀態會導致強度較低，這與其力學性質相一致。

圖6（c）、（d）是 185℃和 195℃時丙綸纖維 /PP復合材料斷面的SEM照片。從圖6（c）、（d）中可以看出丙綸纖維與PP樹脂間界面結合緊密，樹脂緊緊包圍纖維并進入纖維內部。從斷面可以看出纖維呈直立的拉斷狀態，說明纖維承受了大部分載荷，起到了承力作用，這種良好的界面結合狀態會使復合材料強度升高，這點由圖2中力學實驗數據可以得到驗證。

圖6（e）是200℃時丙綸纖維/PP復合材料斷面的SEM照片。從圖6（e）中可以看，出溫度過高使得丙綸纖維熔化，破壞了丙綸纖維的網狀結構，這種結構反而會導致材料的強度降低。

3 結論

（1）溫度對丙綸纖維/PP復合材料的界面粘結度有影響，選擇適當的熱壓溫度有利于界面結合，進而會提高復合材料的強度，本實驗最佳熱壓溫度為195℃。

（2）對于加入不同比例的丙綸纖維，隨著纖維用量的增加，復合材料的拉伸強度逐漸增強，并且在纖維含量是15%時拉伸強度達到最高點，而后降低。復合材料沖擊強度隨著纖維用量增加呈小幅度降低趨勢。

（3）復合材料的掃描電鏡照片表明：兩種材料間的不同界面結合對丙綸纖維/PP復合材料的力學性能具有顯著影響，良好的界面結合會提高材料的力學性能。

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