玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復合材料的制備與性能研究

冼嘉明，陳佳俠，曹琳，柏曉鶴，林志丹

（暨南大學理工學院材料科學與工程系，廣東 廣州 510632）

玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復合材料的制備與性能研究

Preparation and properties of glass fi ber / kitchenware calcifi cations / polypropylene composites

冼嘉明，陳佳俠，曹琳，柏曉鶴，林志丹

（暨南大學理工學院材料科學與工程系，廣東 廣州 510632）

通過熔融擠出法制備了玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復合材料，并對復合材料進行了力學性能以及微觀形貌的測試，結果表明經過庚二酸鈣表面改性的刻蝕玻纖能夠有效的提高材料的抗沖擊性能，餐廚鈣化物的加入進一步提升了沖擊強度。其中，最高值為PP10GF1的61.3 J/m，相對PP的純29.9 J/m提升了105.1%。因為改性后玻纖與PP相容性一般，拉伸強度整體上有少許的下降，添加餐廚鈣化物后，由于會出現團聚現象，對拉伸強度產生了負面的影響。

玻纖；餐廚鈣化物；聚丙烯；力學性能；微觀結構

1 介紹

聚丙烯是通用塑料之一，是一種具備多種優良性能的熱塑性高分子，其產品具有密度小、透明度高、化學穩定性好、無毒、易加工以及成本低等優點，正廣泛應用于汽車、家電、食品包裝、電子電器、農業及建材等領域［1～3］。

目前，為了增強和降低成本，使用玻纖（GF）、碳酸鈣填充是常用的手段，但會對抗沖擊性能有一定的影響［4～5］；而為了提高沖擊強度，現階段可通過添加β成核劑來改變晶型達到增韌的效果［6～7］。本文使用PP為基體，表面改性玻纖為增強體兼成核劑，餐廚生物鈣化物為填充物，一方面為玻纖改性PP提供了新方法，另一方面將餐廚垃圾變廢為寶，綠色環保，具有不錯的應用前景。

2 實驗

2.1 實驗原料與儀器

2.1.1 實驗原料

聚丙烯（HP500N）；庚二酸（純度98%以上）；氫氧化鈣（分析純）；短切玻纖（4 mm）；餐廚雞蛋殼（D）和白貝（B）；濃硫酸（濃度98%）；濃鹽酸（37%）

2.1.2 實驗儀器

中藥粉碎機（JP1000B—8）；雙螺桿擠出機（SHJ—20）；注塑機（HT—880）；萬能材料試驗機（Zwick/Roell Z005）；全自動電腦干燥箱（EDHG-9140C）；場發射掃描電鏡（Ultra55）；沖擊試驗機（ZBC50）。

2.2 樣品制備

將餐廚生物鈣化物處理干凈后烘干，利用高速破碎機破碎成粉后，經200目篩子過篩后備用；使用濃硫酸和濃鹽酸分別配制濃度為0.3 mol/L的稀硫酸和稀鹽酸，再將二者混合，往其中放入玻纖，在60 °C下刻蝕5 h后，用蒸餾水反復清洗，然后在85 °C下干燥備用；將氫氧化鈣與庚二酸按1：1反應24 h得到庚二酸鈣沉淀，清洗干凈烘干備用；用蒸餾水溶解適量庚二酸鈣浸潤刻蝕玻纖得到表面改性玻纖（GF1）；將PP、GF1和餐廚鈣化物按照表1的配方進行混料，然后通過擠出機擠出切粒。

表1 玻璃纖維/生物鈣化物/聚丙烯復合材料的配比及力學性能

2.3 力學性能測試

根據ASTM標準方法進行拉伸、彎曲和沖擊性能的測試。對于每一個不同種的復合材料中，取5個試樣進行了不同的力學性能測試。拉伸強度按ASTM D—638標準測試，拉伸速度為50 mm/min，測試溫度為23 ℃；彎曲性能按ASTM D—790標準測試，測試速率為2 mm/min，測試溫度為23 ℃；懸臂梁缺口沖擊按ASTM D—256測試，測試溫度為23 ℃，擺錘能量等級為5.5 J。

2.4 微觀形貌測試

采用共混物的沖擊斷裂面的標本，經過噴金處理，置于場發射掃描電鏡下觀察，得到斷面形貌。

3 結果分析

3.1 力學性能

從表1可知，添加庚二酸鈣表面改性的玻纖GF1后，沖擊強度有大幅度的提升，并且會隨著玻纖含量的增加而增加，最高值為PP10GF1的61.3 J/m，相對純PP的29.9 J/m提升了105.1%，增大了一倍多，效果顯著。這種現象一方面是因為短切玻纖在沖擊時可以作為應力承受點，另一方面是因為庚二酸鈣可誘導生成β晶體，該晶體是小球晶，具備韌性大這個優點，在兩者共同作用下提升了復合材料的韌性；但是，由于β晶體本身強度不高，導致PP在晶型變化后，拉伸強度有下降的現象。值得注意的是，PP5GF1的沖擊強度相對其他填充量不高，但是拉伸強度卻比純PP有所提升，達到35 MPa，這可能是因為，晶型轉變增韌作用和玻纖增強作用兩者博弈中，玻纖增強起主導引起的。另外，餐廚鈣化物的加入，能夠進一步增強抗沖擊性能，這可能是由于鈣化物作為剛性粒子，能作為應力集中點抵抗沖擊形變。但由于鈣化物是無機粒子，與PP相容性一般，會導致拉伸強度的下降。

3.2 斷面形貌

圖1 PP5GF110D的斷面形貌

由圖1可知，PP5GF110D樣品斷面不平整，存在凹凸不平現象，這是因為PP生成的是β晶體，并不是單純的α晶體的脆性斷裂；表面改性后的玻纖與基體的相容性一般，在受到沖擊時，會出現抽離現象，這也是導致拉伸強度的下降的因素；雞蛋殼粉能夠均勻分布在PP中，大體上與PP界面結合良好，因而會使沖擊性能提高，但由于含量相對較高，會出現部分團聚，影響了復合材料的整體性，對拉伸強度造成負面影響。

4 結論

利用混合稀硫酸和稀鹽酸刻蝕玻纖后，再用庚二酸鈣表面改性，得到了GF1。將改性玻纖、餐廚鈣化物和聚丙烯三者熔融共混擠出得到復合材料，其沖擊強度會隨著玻纖含量的增加而增加，且提升效果明顯，但拉伸強度會有所下降。玻纖與PP的相容性一般，表面粘著能力不強，加入的餐廚鈣化物分布均勻，部分會出現團聚。

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（P-01）

TQ327

1009-797X（2016）04-0047-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.018

冼嘉明（1991-），男，暨南大學材料科學與工程系材料加工工程專業碩士生，主要從事高分子加工與改性方面的研究。

2015-12-01

項目支持：1.廣東省產學研重點項目（2013B090200025）；2.廣東省科技計劃項目（2013B010403013）；3.暨南大學2015年度大學生創新創業訓練計劃項目（CX15004）。