晶須/滑石粉共改性車用聚丙烯復(fù)合材料性能研究

吳國(guó)峰，楊 波，黃 達(dá)，李永華，羅忠富，寧凱軍

(金發(fā)科技股份有限公司，塑料改性與加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520)

晶須/滑石粉共改性車用聚丙烯復(fù)合材料性能研究

吳國(guó)峰，楊 波，黃 達(dá)，李永華，羅忠富，寧凱軍

(金發(fā)科技股份有限公司，塑料改性與加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510520)

以滑石粉和晶須為填料，制備了晶須和滑石粉共改性聚丙烯復(fù)合材料，并研究了該復(fù)合材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明:當(dāng)滑石粉與晶須質(zhì)量百分比為12∶8時(shí)，復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度和熔體流動(dòng)速率等綜合性能最佳。

晶須，聚丙烯，力學(xué)性能

聚丙烯(PP)復(fù)合材料由于其良好的綜合性能已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日益增大。近年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能減排的要求，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)變得尤為重要，在此背景下，各汽車主機(jī)廠的制件設(shè)計(jì)越來(lái)越薄，因此對(duì)材料的加工流動(dòng)性、剛性和韌性的要求也越來(lái)越高。未改性或者普通滑石粉填充改性的聚丙烯材料已經(jīng)不能完全滿足材料的使用要求。

晶須作為以單晶形式生長(zhǎng)的具有一定長(zhǎng)徑比的單晶纖維材料，由于其優(yōu)異性能，問(wèn)世以來(lái)受到廣大科學(xué)工作者青睞，其作為增強(qiáng)材料在聚合物中得到了廣泛應(yīng)用［1］。隨著性價(jià)比比較高的晶須不斷被開發(fā)出來(lái)［2－4］，使得晶須在復(fù)合材料中的應(yīng)用越來(lái)越大。在晶須改性聚丙烯方面，魏玉坤［5］，王小武等［6］研究了復(fù)合材料中晶須與聚丙烯最佳配比。然而這些研究大多集中在晶須單填充聚丙烯體系中，而作為汽車材料使用的改性聚丙烯材料，考慮到各種綜合性能的需要，晶須單填充聚丙烯體系往往并不適用，本文即在滑石粉填充改性聚丙烯體系基礎(chǔ)上，研究了將滑石粉部分替換為晶須后的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP:中國(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司;晶須:市售;滑石粉:河山化工集團(tuán);1010抗氧劑，168抗氧劑:汽巴精化有限公司;POE:陶氏化學(xué)有限公司。

1.2 主要儀器和設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī):SHJ－30型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司;注塑機(jī):HTB80型，寧波海天機(jī)械有限公司;萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):cmt40204型(20KN)，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司;沖擊試驗(yàn)機(jī):892型，美國(guó)Tinius Olsen公司，熔指測(cè)試儀:4100型，德國(guó)ZWICK公司;掃描電子顯微鏡:S－3000N型，日本HITA－CHI有限公司。

1.3 試樣制備

將PP、彈性體、滑石粉、抗氧劑和添加劑按照一定配比混合均勻，采用雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，晶須采用側(cè)喂料方式加料，采用注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按GB/T 1040－2006測(cè)試;沖擊性能按照GB/T 1843－2008測(cè)試;彎曲性能按照GB/T 9341－2008測(cè)試，熔體流動(dòng)速率按照GB/T 3682－2000測(cè)試。用掃描電鏡觀察復(fù)合材料微觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

本研究中PP、彈性體、滑石粉及晶須質(zhì)量百分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)基本配方Table.1 The prescription of expeimert

2.1 晶須對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1為復(fù)合材料拉伸屈服強(qiáng)度變化曲線圖，從圖1中可以看出，在滑石粉填充改性聚丙烯體系中，將部分滑石粉替換為晶須后，隨著替換量的增加，復(fù)合材料的拉伸屈服強(qiáng)度增加，當(dāng)滑石粉與晶須的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為12∶8時(shí)，拉伸屈服強(qiáng)度達(dá)到最大值，而后拉伸屈服強(qiáng)度則有所下降。圖2和圖3分別是復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和彎曲模量變化曲線圖。從圖2、圖3中可以看出，隨著晶須的加入，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和和彎曲模量提高，當(dāng)滑石粉:晶須的質(zhì)量比為12∶8時(shí)，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量達(dá)到最大值。圖4為復(fù)合材料懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度變化曲線圖，從圖4中可以看出，復(fù)合材料懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)榫ы毜募尤攵档停渥兓请S著晶須含量的增多，懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度先稍微增加，而后又稍微降低，變化并不明顯，結(jié)果與某些文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果不相同［7，8］。從結(jié)果可以看出，在本文研究的范圍內(nèi)，無(wú)機(jī)晶須的加入，在提高復(fù)合材料強(qiáng)度和模量的同時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度沒(méi)有多大的變化。綜合各性能可以看出，當(dāng)滑石粉與晶須的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為12∶8時(shí)，綜合力學(xué)性能達(dá)到最佳值。

圖1 晶須含量對(duì)復(fù)合材料拉伸屈服強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of whicker on the tensile strength

圖2 晶須對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of whisker content on the flexural stvength

圖3 晶須對(duì)復(fù)合材料彎曲模量的影響Fig.3 Effect of whisker content on the notched impact serength

圖4 晶須對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of whicker content on the effexural madulas

晶須是在特殊條件下以單晶形式生長(zhǎng)形成的纖維，其直徑極小，能到亞微米或納米級(jí)，具有高度有序的原子排列，因而不具有大晶體的缺陷，可接近材料的原子間價(jià)鍵的理論強(qiáng)度。滑石粉填充聚丙烯體系中，晶須的加入，一方面能作為復(fù)合材料的“骨架”吸收外界的能量，另一方面能夠加速能量的耗散并抑制裂紋的擴(kuò)展，因此能夠提高復(fù)合材料的剛性［6］，當(dāng)晶須含量不多時(shí)，隨著晶須含量的增多，這方面的性能更強(qiáng)，然而隨著晶須含量的增大，可能影響了無(wú)機(jī)粉體在樹脂基體中的分散，從而導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及模量的降低。同時(shí)晶須具有纖維狀結(jié)構(gòu)，受到外力作用時(shí)較易產(chǎn)生變形，能夠吸收沖擊振動(dòng)能量，同時(shí)裂紋在擴(kuò)展中遇到晶須便會(huì)受阻而得到抑制，因此當(dāng)晶須填充量較少時(shí)能夠起到增韌作用，這在一定程度上能改善復(fù)合材料的沖擊性能，然而晶須的柔韌性比基體樹脂小，在復(fù)合體系中，晶須與基體樹脂之間缺乏緩沖層，有可能導(dǎo)致界面成為材料脆性破壞的引發(fā)點(diǎn)，因此當(dāng)晶須含量增加時(shí)，導(dǎo)致復(fù)合材料柔韌性有所下降，即復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度有所下降。

2.2 晶須對(duì)復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率的影響

圖5是復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率變化曲線圖，從曲線上可以看出，隨著晶須含量的增加，復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率先增大后減小，在滑石粉與晶須的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為14∶6時(shí)，熔體流動(dòng)速率達(dá)到最大值，在滑石粉與晶須的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)比值為12∶8時(shí)稍有減小，可能是因?yàn)榫ы殞儆诙汤w維，具有較大的長(zhǎng)徑比，少量的晶須均勻分散在聚合物中后，被樹脂包覆，在熔融的PP流動(dòng)時(shí)形成取向，在熔體流動(dòng)方向產(chǎn)生有序排列，降低了熔體流動(dòng)時(shí)的阻力，對(duì)聚合物熔體有較好的潤(rùn)滑作用［9］，而后隨著晶須含量的增加，體系的黏度開始增大，導(dǎo)致復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率下降。

圖5 晶須含量對(duì)復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率的影響Fig.5 Effect of whisker content on the mectflow rate

4 結(jié)論

在PP+EPDM+20%滑石粉體系中，將部分滑石粉取代為晶須后，材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和模量都得到一定程度的提高，材料的沖擊強(qiáng)度影響不大，熔體流動(dòng)速率先上升后有所下降，綜合各性能，滑石粉和晶須的最佳比率為:滑石粉/晶須=12/8。

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［6］王小武，馬秀清.硅鈣鎂晶須填充聚丙烯復(fù)合材料的性能研究［J］.中國(guó)塑料，2009，23(6):50－53.

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［8］楊寧，貴大勇，錢誠(chéng).鈦酸鉀晶須增強(qiáng)聚丙烯的研究［J］.中國(guó)塑料，2004，18(1):71－74.

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Property Study of Whisker/Talc Modified Polypropylene Composites for Automobile

WU Guo-feng，YANG Bo，HUANG Da，LI Yong-hua，LUO Zhong-fu，NING Kai-jun
(Kingfa Science＆ Technology Co.Ltd.，National Engineering Laboratory for Plastics Modification and Processing，Guangzhou 510520，Guangdong，China)

Polypropylene/whisker/talc composites were prepared by using whiskers and talc as the fillers，and then the mechanical properties were analyzed.The results show that when the mass ratio of talc/whisker is 12/8，the tensile yield strength，flexural strength，flexural modulus，impact strength and melt flow rate reach the optimal values.

whisker，Polypropylene，Mechanical properties，automobile

TQ 32

2011－12－15