短玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的制備及其力學性能的研究

季新宇，王立巖，宋敬星，滕聞起，田茂林，信 超

(1.沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003; 2.大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

短玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的制備及其力學性能的研究

季新宇1，王立巖1，宋敬星2，滕聞起1，田茂林1，信 超1

(1.沈陽工業大學石油化工學院，遼寧 遼陽 111003; 2.大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

采用雙螺桿擠出機通過熔融共混的工藝路線制得短玻璃纖維增強聚丙烯(PP)復合材料，通過激光粒度分布儀對復合體系中的玻璃纖維的長度進行了測試，同時對復合材料的主要力學性能進行了表征。結果表明：隨著短玻璃纖維含量的增加，復合材料中短玻璃纖維的長度平均徑有所減小；隨著短玻璃纖維含量的增大，復合材料的拉伸強度、沖擊強度都大幅度增加，硬度有所增加；當短玻璃纖維質量分數為40%時，短玻璃纖維增強PP復合材料拉伸強度為64.39 MPa，與純PP相比提高了74%，沖擊強度為5.8 kJ /m2，與純PP相比提高了174%，硬度為85，與純PP相比提高了11%。

聚丙烯 玻璃纖維 復合材料 力學性能

聚丙烯(PP)具有力學性能、電絕緣性和加工性能好、化學穩定性高等優點，廣泛應用于紡織、家電、包裝及汽車等領域，但PP也存在成型收縮率大、低溫沖擊性能差、易老化，而且抗靜電性、耐候性和染色性差等缺點，限制了其在高端行業的進一步應用，因此材料界和產業界都很關注PP的改性。目前PP的改性方法有共聚、均聚改性，還有共混、復合改性等方法，其中纖維增強PP的改性是近年來研究的熱點[1-5]。

玻璃纖維價格低廉，比強度和楊氏模量較一般樹脂高10倍，耐熱和耐化學藥品性能、機械性能出色，單絲強度可達到 3 500 N/mm2，彈性模量可達到 73 000 N/mm2，且吸水率非常低，是應用最廣泛的一類纖維增強體[6]。相對于普通的PP材料，玻璃纖維增強PP由于具有更好的機械性能，在高溫、高濕環境下仍能保持良好的力學性能，同時具有耐化學藥品性、氣體阻隔性和耐油性，而且具有無毒、不生銹等優良性能，能夠很好地代替金屬材料，用于制造汽車各種結構件、功能件以及內飾材料等[7]。

作者采用雙螺桿擠出機通過熔融共混復合的方法，利用增容劑的高效界面增容及微結構調節劑的快速結晶成核作用，制備了一種短玻璃纖維分布均勻、界面粘結良好的短玻璃纖維增強PP復合材料，并對其結構及力學性能進行了表征，以期為該復合材料的工業化生產提供參考和借鑒。

1 實驗

1.1 主要原料

PP:牌號Q/SYXT0004-2014，大連西太平洋石油化工有限公司產；短玻璃纖維：牌號ECS13-4.5-508A，巨石集團有限公司產；馬來酸酐接枝PP(PP-g-MAH)：天津市瑞金特化學品有限公司產；硅烷偶聯劑KH-550：蓋州市恒達化工有限公司產；微結構調節劑：自制。

1.2 主要設備及儀器

TSE- 40型雙螺桿擠出機：螺桿長徑比40:1，螺桿直徑35 mm，南京科亞橡塑機械有限公司制；HZ50型塑料注射成型機：寧波海震塑機廠制；SX2型箱式電阻爐：沈陽市工業電爐廠制；BT-9300S型激光粒度分布儀：丹東市百特儀器有限公司制；CMT6104微機控制電子萬能試驗機：深圳市新三思材料檢測有限公司制； DJF-20動態沖擊分析儀：長春智能儀器設備有限公司制；ALX-D型邵爾硬度計：溫州山度儀器有限公司制。

1.3 短玻璃纖維增強PP復合材料的制備

將PP、短玻璃纖維、PP-g-MAH、硅烷偶聯劑KH-550、微結構調節劑按照一定質量比混合均勻后加入雙螺桿擠出機擠出造粒，然后將切片在注射成型機上制成標準樣條用于測試，其中短玻璃纖維質量分數為25%，30%，35%，40%(相對于PP)的試樣分別標記為1#，2#，3#，4#。螺桿擠出機各區溫度分別設定為190，210，210，210，205 ℃，機頭溫度200 ℃，熔體溫度200 ℃。

1.4 分析測試

灰分：采用SX2型箱式電阻爐測試，溫度為750 ℃，煅燒時間2 h，重復10次，取平均值。

長度平均徑：采用BT-9300S型激光粒度分布儀測試經電阻爐煅燒后的灰分試樣，重復10次，取平均值。

懸臂梁式沖擊強度：按照GB/T 1843—2008，采用DJF-20動態沖擊分析儀，對寬為8 mm、厚為4 mm、長為80 mm的有缺口試樣進行沖擊強度的測試，擺錘能量為5.5 J。

拉伸性能：采用SANS型微機控制電子萬能試驗機，按照GB/T 1040—2006測試。試樣寬度為10 mm，厚度為4 mm，原始標距為80 mm；拉伸速度為100 mm/min。

硬度：采用邵爾硬度計A測試，重復10次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 復合材料的灰分與長度平均徑

由表1可知：試樣的灰分含量與其玻璃纖維的含量基本相同，說明制備得到的復合材料中的玻璃纖維含量符合預期；隨著玻璃纖維含量的增加，復合材料中玻璃纖維的長度平均徑有所減小。這是因為當短玻璃纖維含量增大時，熔體的流動性變差，短玻璃纖維在體系內相互作用增強，或者說纏結傾向增大，受到的剪切程度更大而受到破壞，所以短玻璃纖維的長度平均徑變小。

表1 試樣的灰分與長度平均徑Tab.1 Ash content and length mean diameter of samples

2.2 復合材料的沖擊強度

由圖1可以看出：隨著短玻璃纖維含量的增加，復合材料的沖擊強度先急劇增加，當短玻璃纖維的質量分數達到30%，40%時，復合材料沖擊強度分別達到5.6，5.8 kJ/m2，與純PP沖擊強度相比分別提高了167%，174%；同時還可看出，當玻璃纖維質量分數超過30%時，其沖擊強度的增長出現了放緩的趨勢。這主要是因為玻璃纖維含量較低時，隨著玻璃纖維含量的增加，玻璃纖維在復合材料中吸收傳遞外界給予復合材料的沖擊能量增大，所以復合材料的沖擊強度急劇增加，而當玻璃纖維質量分數超過30%時，復合材料體系中玻璃纖維長度平均徑減小、含量增大，分散效果變差，所以隨著玻璃纖維含量的進一步增加，玻璃纖維繼續吸收傳遞沖擊能量的能力減小，因而復合材料沖擊強度增加幅度趨緩。

圖1 復合材料沖擊強度與玻璃纖維含量的關系Fig.1 Relationship between glass fiber content and impact strength of composite

2.3 復合材料的拉伸強度

由圖2可知，隨著短玻璃纖維含量的增加，短玻璃纖維增強PP復合材料的拉伸強度增加，當短玻璃纖維質量分數為40%時，復合材料的拉伸強度達到64.39 MPa，與純PP相比提高了74%。這是因為高強度玻璃纖維在復合材料中起到了骨架作用，可以幫助PP基體承擔載荷，這些玻璃纖維的抽出或斷裂，需要更大的載荷；同時也可以利用基體樹脂的塑性流動性及其與纖維的粘結性來傳遞應力所致。

圖2 復合材料拉伸強度與玻璃纖維含量的關系Fig.2 Relationship between glasss fiber content and tensile strength of composite

2.4 復合材料的硬度

由圖3可以看出，隨著短玻璃纖維含量的增加，短玻璃纖維增強PP復合材料的硬度隨之增加，當短玻璃纖維質量分數為40%時，復合材料硬度為85，與純PP相比提高了11%。這是因為隨著短玻璃纖維含量的增加，玻璃纖維間的PP基質層變薄，樹脂的形變受到玻璃纖維的約束，因而復合材料硬度提高。

圖3 復合材料硬度與玻璃纖維含量的關系Fig.3 Realationship between glass fiber content and composite hardness

3 結論

a. 隨著短玻璃纖維含量的增加，復合材料體系中玻璃纖維長度平均徑減小。

b. 隨著短玻璃纖維含量增大，復合材料的拉伸強度、沖擊強度都大幅度增加，硬度有所增加。當短玻璃纖維質量分數為40%時，短玻璃纖維增強復合拉伸強度為64.39 MPa，與純PP相比提高了74%；其沖擊強度為5.8 kJ/m2，與純PP相比提高了174%；其硬度為85，與純PP相比提高了11%。

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Preparation and mechanical properties of polypropylene composite reinforced with short glass fiber

Ji Xinyu1， Wang Liyan1，Song Jingxing2，Teng Wenqi1，Tian Maolin1，Xin Chao1

(1.SchoolofPetrochemicalEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Liaoyang111003;2.SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity，Dalian，116034)

Polypropylene(PP) composite reinforced with short glass fiber were prepared on a twin screw extruder by melt blending process. The glass fiber length of the composite system was measured by laser particle size distribution instrument. The main mechanical properties of the composite were characterized.The result showed that the length mean diameter of short glass fiber in the composite reduced with the increment of glass fiber content; the tensile strength, impact strength, hardness of the composite increased greatly as the content of short glass fiber increased; when the short glass fiber content was 40% by mass fraction, the tensile strength of the short glass fiber reinforced PP composite was 64.39 MPa with a growth of 74%, the impact strength was 5.8 kJ/m2with a growth of 174%, the hardness was 85 with a growth of 11% as compared with those of pure PP.

polypropylene; glass fiber; composite; mechanical property

2017- 04-15； 修改稿收到日期：2017- 05-17。

季新宇(1995—)，男,本科在讀,專業為高分子材料與工程。E-mail：397022203@qq.com。

沈陽工業大學大學生創新項目(188)。

TQ325.1+4

A

1001- 0041(2017)03- 0049- 03