改性硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能研究

冉敬文，尹文旭

(1.黃岡師范學(xué)院 化工學(xué)院，湖北 黃州 438000;2.中國(guó)科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧 青海 810008)

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改性硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能研究

冉敬文1，2，尹文旭1，2

(1.黃岡師范學(xué)院 化工學(xué)院，湖北 黃州 438000;2.中國(guó)科學(xué)院鹽湖資源綜合高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究所，西寧 青海 810008)

本文分別選用硅烷偶聯(lián)劑KH-550和硼酸酯偶聯(lián)劑(BE)對(duì)自制硼酸鎂晶須(MBOw)進(jìn)行表面改性，深入探討了兩種偶聯(lián)劑對(duì)硼酸鎂晶須表面性質(zhì)的影響；通過(guò)熔融共混法將其填充到聚丙烯中制成復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了硼酸鎂晶須對(duì)所制得的復(fù)合材料性能的影響，優(yōu)化了制備條件。結(jié)果表明：BE偶聯(lián)劑能有效改變硼酸鎂晶須的表面性質(zhì)，改性后的晶須加入聚丙烯中熔融混煉制得的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、拉伸模量分別提高38.2%和52.5%，添加量以12.0%～18.0%的比例為宜。

硼酸鎂晶須；表面改性；復(fù)合材料；拉伸性能

近些來(lái)，具有結(jié)構(gòu)特殊和性能優(yōu)異的新型功能材料是科學(xué)家們一直研究的熱門，其低成本的應(yīng)用是人們關(guān)注的重點(diǎn)。硼酸鎂晶須是一種新型的高強(qiáng)度、高模量、高耐磨和高耐熱的材料[1-2]，并且原料易得，與環(huán)境協(xié)調(diào)性好，同時(shí)其價(jià)格僅是碳化硅晶須的1/20 ～1/30[3-4]。因此，它是一種性價(jià)比高的晶須產(chǎn)品，具有廣泛應(yīng)用潛力。聚丙烯(PP)具有成本低、密度小、化學(xué)穩(wěn)定好等優(yōu)點(diǎn)，但是其低溫脆性、成型收縮率大等缺點(diǎn)，極大限制了其應(yīng)用范圍。如果二者有機(jī)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將有效拓展其工業(yè)應(yīng)用。

本文選用硅烷偶聯(lián)劑3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和硼酸酯偶聯(lián)劑三異硬脂酸酰氧基硼酸酯(BE)對(duì)硼酸鎂晶須進(jìn)行表面改性，深入探討兩種偶聯(lián)劑對(duì)其表面性質(zhì)的影響；采用熔融共混法將硼酸鎂晶須和改性后的晶須與PP填充形成PP基復(fù)合材料，系統(tǒng)研究其對(duì)復(fù)合材料性能的影響；通過(guò)儀器手段對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)度性能測(cè)試，得出了最優(yōu)方案。

1　材料和方法

1.1材料

本實(shí)驗(yàn)采用硼酸鎂晶須材料系作者實(shí)驗(yàn)室所合成(WMg=31.2%)；聚丙烯(PP)，大華塑膠公司生產(chǎn)；3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，98%，沃凱試劑；三異硬脂酸酰氧基硼酸酯(BE)；南京道寧化工有限公司；丙酮及無(wú)水乙醇，分析純，國(guó)藥試劑。

萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)QT-6100A，謙通儀器設(shè)備有限公司；雙混混煉機(jī)SC-7063，品誠(chéng)檢測(cè)儀器有限公司；沖片機(jī)XJJY-50，承德科承試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.2制備方法

(1)硼酸鎂晶須的表面處理：將一定量的KH-550和BE偶聯(lián)劑分別加熱溶解(50 ℃)，配制成KH-550/丙酮溶液和BE/乙醇溶液；定量加入一定量的硼酸鎂晶須，超聲波分散1 h后轉(zhuǎn)入培養(yǎng)皿中50 ℃揮發(fā)掉溶劑，期間盡量讓晶須均勻分散在培養(yǎng)皿底部以減少團(tuán)聚，待溶劑揮后升溫至105 ℃干燥，備用。

(2)熔融混煉和制片:稱取一定量經(jīng)表面處理后硼酸鎂晶須，按一定比例加入聚丙烯樹(shù)脂，一并加入混煉機(jī)中180 ℃熔融混煉20 min，混煉半成品在壓片機(jī)上擠在成型(185 ℃，10.0 MPa)，保壓10 min后移至冷壓機(jī)上再保壓(10.0 MPa)10 min即得樣品，后性能測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1改性劑種類對(duì)硼酸鎂晶須的影響

圖1是硼酸鎂晶須在改性前后的SEM圖。可以看出，未改性的硼酸鎂晶須團(tuán)聚在一起，很難分散，圖1(a)水作分散劑；經(jīng)過(guò)BE改性后的硼酸鎂晶須分散均勻，見(jiàn)圖1(b)，經(jīng)過(guò)KH-550改性后的硼酸鎂晶須分散效果不好。這說(shuō)明硼酸鎂晶須的改性與改性劑的極性和種類有關(guān)，改性前與非極性的相容性較差，顯示出極強(qiáng)的親水疏油性，而改性后的硼酸鎂顯示出較好的親油疏水性。若填充材料與基體材料的表面性質(zhì)相近，則它們?cè)趶?fù)合時(shí)相容性較好；反之，則相容性較差。PP作為典型的非極性樹(shù)脂，具有較強(qiáng)的疏水性。由此可見(jiàn)，未改性的硼酸鎂晶須與非極性的PP基體之間的相容性較差。而改性后的硼酸鎂表面性質(zhì)較改性前發(fā)生根本變化，與PP表面性質(zhì)相似，因此，BE能夠改善硼酸鎂晶須與PP之間的相容性。

2.2晶須加入量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

MBOw及BE對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，可對(duì)比復(fù)合材料拉伸及沖擊性能的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。圖2顯示了MBOw及BE對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。從圖2中可以看出，如果對(duì)MBOw不進(jìn)行改性，MBOw/PP復(fù)合材料其拉伸強(qiáng)度隨MBOw添加量的增加呈現(xiàn)小幅先增后減趨勢(shì)，變化不明顯；當(dāng)對(duì)MBOw用BE進(jìn)行有效改性后所得復(fù)合材料隨MBOw的加入，體系的拉伸強(qiáng)度有較顯著的提高，達(dá)到38.2%，這歸因于MBOw經(jīng)BE改性后BE分子在MBOw表面聚合形成有機(jī)包覆膜，增強(qiáng)了與基體PP的親和力，有效改善了二者之間的兼容性。但在MBOw含量超過(guò)了18.0%后，其拉伸強(qiáng)度開(kāi)始下降，這主要是由于晶須粒子的大幅度增加，其團(tuán)聚的傾向更為明顯，在拉伸過(guò)程中，團(tuán)聚體會(huì)作為材料中的缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而造成拉伸強(qiáng)度的降低。盡管如此，此時(shí)的拉伸強(qiáng)度仍高于純PP體系，這說(shuō)明MBOw對(duì)PP起到了增強(qiáng)的作用；在MBOw/PP復(fù)合材料中引入BE后，體系的拉伸強(qiáng)度隨著MBOw含量的增加而提高，這是因?yàn)榻?jīng)BE改性后的MBOw在PP基體中的分散性得到較大的改善，即使含量達(dá)到12.0%～18.0%時(shí)，也并未出現(xiàn)未改性MBOw的團(tuán)聚現(xiàn)象，使得MBOw的有效增強(qiáng)面積增大，故BE改性后的MBOw增強(qiáng)作用明顯。

圖3為MBOw/PP以及MBOw/PP/BE復(fù)合材料的拉伸模量，從圖3中可以看出，未改性的MBOw/PP復(fù)合材料拉伸模量小幅上升后不再明顯變化，而改性后的MBOw/PP/BE復(fù)合材料的拉伸模量隨MBOw含量的增加均呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)，這是由于MBOw作為一種優(yōu)異的增強(qiáng)體，具有較高的模量，將其填充到PP中會(huì)起到提高材料剛性的作用，而用BE 改性后的MBOw填充到PP基體中后，復(fù)合材料的拉伸模量會(huì)進(jìn)一步的增大，且上升趨勢(shì)明顯，說(shuō)明BE改性后的MBOw具有更強(qiáng)的增剛作用。當(dāng)拉伸模量增大到一定程度后反而下降，這是由于二者比例發(fā)生較大變化，各相界面產(chǎn)生缺陷作用更明顯所致。

圖2　BE表面處理前后MBOw/PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與MBOw含量關(guān)系比較

圖3　BE表面處理前后MBOw/PP復(fù)合材料拉伸模量與MBOw含量關(guān)系比較

3　結(jié)論

使用BE偶聯(lián)劑能夠有效修飾MBOw的表面性質(zhì)，從而改善與PP材料的相容性；當(dāng)MBOw的填充量在12.0%～18.0%之間時(shí)，使用改性的MBOw與PP復(fù)合形成復(fù)合材料可以提高拉伸強(qiáng)度38.2%，拉伸模量52.5%，整體材料的強(qiáng)度和剛性明顯改善。

致謝本研究得到了黃岡市科技局的大力支持，特此感謝！

[1]辛紹強(qiáng)，張雨山，劉偉，等.硼鎂酸晶須增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].天津化工，2012，26(6)：34-36.

[2]王瑾，徐從升，杜明亮，等.改性硼酸鎂晶須/丁苯橡膠復(fù)合材料的制備與性能[J].橡膠工業(yè)，2012，59(8)：459-463.

[3]魏珂瑤，周莉，李玉玲.硼酸鎂晶須應(yīng)用研究新進(jìn)展[J].化學(xué)與黏合，2012，34(5)：75-78.

[4]吳永嘉，陳善華.聚丙烯/Mg2B2O5晶須復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究[J].塑料工業(yè)，2012，40(2)：83-86.

責(zé)任編輯王菊平

A study on preparation and characterization of modified magnesiumborate whisker/polypropylene composites

RAN Jing-wen1，2, YIN Wen-xu1，2

(1.College of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China;2.Key Laboratory of Comprehensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources，Qinghai Institute of Salt Lake，Chinese Academy of Sciences, Qinghai Xining, 810008)

KH-550 and borate ester (BE) coupling agents were chosen to modify the surface of magnesium borate whisker (MBOw) synthesized by ourselves. The effect of the two coupling agents for the surface properties of MBOw were studied in detail. The synthesis and optimal conditions of composite material PP/MBOw were discussed. The results showed that BE coupling reagent could change the surface property of MBOw and that the modified whiskers could extend the tensile strength and tensile modulus of the composite material PP/MBOw 38.2% and 52.5% respectively. The additive amount was optimally 12.0%～18.0%.

magnesium borate whisker; surface modification; composite materials; tensile properties

TQ333

A

1003-8078(2016)03-0022-03

2016-03-16

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.06

冉敬文,男，湖北松滋人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)楣δ懿牧系暮铣膳c表征。