PTW增強POM/TPU復合材料的制備及性能研究

許可可，龍春光，付揚威，董佩冉，劉思佳

(長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410004)

PTW增強POM/TPU復合材料的制備及性能研究

許可可，龍春光，付揚威，董佩冉，劉思佳

(長沙理工大學汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410004)

以鈦酸鉀晶須(PTW)為增強體，采用熔融共混和注射成型法，制備了聚甲醛(POM)/熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)/PTW復合材料。研究了PTW含量對POM/TPU復合材料力學性能的影響，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)分析了沖擊斷面形貌。結果表明，TPU的加入有效改善了純POM的韌性，當TPU含量為10 %(質量分數，下同)時，缺口沖擊強度是純POM的2.5倍，但拉伸強度和彎曲強度有所下降；PTW的加入對POM/TPU有較好的增強效果，當PTW含量為15 %時，復合材料的拉伸強度、拉伸模量、斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲模量、缺口沖擊強度分別為35.91 MPa、24.17 %、144.94 MPa、12.26 GPa、112.1 kJ/m2，拉伸模量、彎曲模量、缺口沖擊強度與 POM/TPU相比分別提高了14.7 %、54.2 %和9.2%，綜合力學性能達到最佳。

聚甲醛；鈦酸鉀晶須；熱塑性聚氨酯彈性體；增強

0 前言

POM是一種性能優良的通用工程塑料，在強度、剛度、硬度方面具有和金屬類似的性能，在耐化學性、耐磨性、自潤滑性能方面又優于金屬，且成本低，在機械、汽車、醫療、農業方面得到廣泛應用[1-2]。然而由于POM分子鏈結構簡單規整易于結晶，且球晶尺寸大，導致其缺口敏感性大，與其他聚合物相容性差。改性后的POM可以在高壓、高負荷、高溫等惡劣工作環境下長期工作，顯示出其優良的性能，因此需要對POM進行增韌、增強、耐磨改性。Pielichowski[3]發現TPU與POM共混，可以形成氫鍵，兩者具有一定相容性。因此，TPU可以作為POM的有效增韌劑。

PTW是21世紀研發的新型復合材料增強劑，其在環境方面具有無毒、無害、不燃、綠色環保的特點，且力學性能和物理性能優異，因其高強度、耐磨耗、耐高溫和良好的電器絕緣性，被廣泛應用于航空航天、海洋船舶、機械制造、汽車材料、石油化工、軍事器械、建筑材料、電子電器等領域[4]。

高明月[5]以TPU為增韌劑，制備了POM/TPU復合材料，當TPU含量為10 %時具有較好的沖擊強度和拉伸強度。為進一步改善POM復合材料的性能，本文選用POM/TPU為基體，PTW為增強體，通過熔融共混的方法制備了POM/TPU/PTW復合材料，研究了PTW含量對復合材料力學性能的影響，并借助SEM分析了加入TPU和PTW改性后復合材料缺口沖擊斷面的表面形貌，探討了其增強增韌機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

POM，M90，云南云天化股份有限公司；

TPU，1154D，德國巴斯夫公司；

PTW，J06A，南通奧新電子科技有限公司；

硅烷偶聯劑，KH550，揚州天揚助劑有限公司。

1.2 主要設備及儀器

數顯鼓風干燥箱，GZX-9240 MBE，上海博訊實業有限公司醫療設備廠；

橡塑材料轉矩流變儀，HAPRO，哈普電器制造公司；

塑料注射成型機，LS-80，柳州高新區開元塑膠機械有限公司；

微機控制電子萬能試驗機，WDW-100，上海華龍測試儀器有限公司；

數顯沖擊試驗機，XJJ-5，承德精密試驗機有限公司。

1.3 樣品制備

用硅烷偶聯劑KH550對PTW進行表面處理，按表1的比例共混后放入干燥箱中90 ℃下處理3 h充分干燥,轉矩流變儀溫度為165～180 ℃；再采用注射成型機對所得物料進行注射成型制備標準試樣樣條，機筒溫度為175～190 ℃、模具溫度為80 ℃、注射壓力為90 MPa、保壓壓力為40 MPa、保壓時間為12 s。

表1 實驗配方表Tab.1 Experimental formulation

1.4 性能測試與結構表征

拉伸性能按GB/T 1042.2—2006測試，拉伸速率為2 mm/min；

彎曲性能按GB/T 9341—2008測試，彎曲速率為2 mm/min；

沖擊性能按GB/T 1043.1—2008測試，U形缺口，沖擊能量為2 J，沖擊速率為2.9 m/s；

SEM分析：將試樣沖擊斷面進行噴金處理，然后在SEM上觀察并拍照。

2 結果與討論

2.1 TPU對純POM力學性能的影響

表2為添加了10 %的TPU對POM力學性能的影響。由表2可以看出，添加了10 %的TPU后，缺口沖擊強度是純POM的2.5倍，但拉伸、彎曲性能均有所降低。TPU是POM較為有效的抗沖擊改性劑,人們對TPU增韌改性POM進行了大量的研究,但在獲得共混物較好韌性的同時,會導致共混物剛性的大幅度下降[6-7]。

表2 10 %TPU對純POM力學性能的影響Tab.2 Influence of 10 %TPU on mechanical properties of the composites

2.2 PTW對POM/TPU力學性能的影響

由圖1可以看出，隨著PTW含量的增加， POM/TPU/PTW復合材料的拉伸強度、彎曲強度逐漸減小，拉伸模量先增大后減小，彎曲模量逐漸增大。當PTW含量為10 %時，拉伸強度和彎曲強度分別為39.13 MPa和150.34 MPa，較POM/10 %TPU復合材料拉伸強度降低了16.9 %，而彎曲強度基本沒有變化，拉伸模量、彎曲模量分別增加了22.2 %、31 %。這說明隨著PTW含量的增加，POM/TPU/PTW復合材料的強度降低，剛性提高。當PTW含量從10 %增至20 %時，拉伸模量、彎曲強度有所降低，拉伸強度先減小后增大，彎曲模量持續升高。這是因為添加了10 %的TPU后，基體發生了脆韌轉變，在添加了PTW后，材料在受到外界作用力時，基體產生了較大的塑性形變，從而影響界面區的應力傳遞，使晶須不會成為應力集中點，起到增強的作用[8]。拉伸強度先降低再升高這一實驗現象與付善菊等[9]的實驗結果一致，產生這種現象的原因是彈性粒子的加入減少了與晶須有相互作用的POM的用量，從而降低了晶須與基體間的界面作用力。另一方面，晶須本身具有較大長徑比、高模量的特點，賦予了晶須在熱塑性樹脂中獨特的骨架作用[10]，又由于PTW有成核劑的作用[11]，有利于POM結晶度的提高，所以PTW的加入有效提高了拉伸模量和彎曲模量。當PTW含量較大時，晶須在基體中的分散性變差，容易團聚造成缺陷，材料的力學性能改善不明顯，甚至導致力學性能的下降。

(a)拉伸性能 (b)彎曲性能圖1 PTW含量對POM/TPU/PTW復合材料力學性能的影響Fig.1 Effect of PTW content on mechanical properties of POM/TPU/PTW composites

從圖2可以看出，當PTW含量為15 %時，復合材料的缺口沖擊強度達到最大值(112.1 kJ/m2)，比未添加PTW的POM/TPU復合材料提高了9.2 %。PTW含量超過15 %時，缺口沖擊強度呈下降趨勢。這是因為韌性體系受到沖擊作用時，彈性體粒子引發周圍基體產生剪切應力，產生銀紋或剪切帶，從而吸收了部分沖擊能量[12]。同時，試樣斷裂時，位于斷面兩側的晶須會出現斷裂、脫黏和拔出，在此過程中會消耗部分能量[13]。隨著PTW含量的增加，晶須在集體中容易團聚，從而產生界面缺陷，使復合材料的沖擊強度降低。

圖2 PTW含量對POM/TPU/PTW復合材料缺口沖擊強度的影響Fig.2 Effect of PTW content on the notched impact strength to the POM/TPU/PTW composites

POM/TPU/PTW配比，放大倍率：(a)100/0/0,5000× (b)90/10/0,5000× (c)75/10/15,5000× (d)75/10/15,10000×圖3 POM/TPU/PTW復合材料的缺口沖擊斷面SEM照片Fig.3 SEM of impacted fracture surface of POM/TPU/PTW composites

2.3 POM/TPU/PTW復合材料的SEM分析

從圖3(a)和圖3(b)中可以看出，白色的TPU小粒子均勻地分散于POM基體中，二者具有一定的相容性，共混物處于相分離狀態。這說明POM/TPU復合材料缺口沖擊強度的大幅度提升歸功于POM基體中TPU彈性粒子的存在。這種現象可以用多重銀紋化—剪切帶增韌機理來解釋：當材料受到載荷時，彈性粒子產生應力集中，誘發其周圍基體產生大量銀紋和形變，還可引發剪切帶，消耗大量能量。從圖3(c)和圖3(d)中可以看出，添加了PTW的復合材料沖擊斷面晶須分散性良好，有大量的晶須被拔出、斷裂，被拔出的晶須上有POM樹脂殘留。這說明晶須與POM基體的界面結合較為緊密。與圖3(b)相比，基體材料發生斷裂破壞時，會在基體與晶須界面上產生強大的剪切作用力，在此剪切力作用下，晶須從基體中拔出、斷裂會消耗能量，從而提高了材料的強度和韌性[14]。

3 結論

(1)添加10 %的TPU可使POM的缺口沖擊強度大幅提高，達到純POM的2.5倍，但拉伸和彎曲性能明顯降低； PTW的加入使 POM/TPU復合材料的拉伸模量、彎曲模量均得到大幅度的提升；

(2)PTW含量為15 %時，復合材料的綜合力學性能最佳，拉伸模量、彎曲模量、缺口沖擊強度較POM/TPU復合材料分別提高了14.7 %、54.2 %、9.2 %，但拉伸強度、彎曲強度有所降低；說明PTW的加入使材料保持了較高的缺口沖擊強度，并大幅度改善了材料的剛性；

(3)15 %的PTW在基體中具有較好的分散性，與基體界面結合效果較好，能夠有效地改善復合材料的力學性能。

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關于召開2017功能性塑料包裝創新峰會暨塑料委專家委員會年會的通知

各有關單位及專家：

基于業界對如何縮小與國外先進技術的差距，提升行業經濟效益和競爭力的迫切需求，為促進技術交流與創新，了解新產品信息與行業未來發展趨勢，整合資源，共謀發展，我會決定在2017第二屆包裝世界(上海)博覽會期間，在上海舉辦“2017功能性塑料包裝創新峰會暨中包聯塑料委專家委員會年會”。有關事項通知如下：

一、會議信息

名稱：2017功能性塑料包裝創新峰會暨塑料委專家委員會年會

時間：2017年11月9-11日

地點：上海海洋大學(浦東臨港)中國功能性塑料包裝研究交流中心

主辦單位：中國包裝聯合會塑料制品包裝委員會

承辦單位：中國功能性塑料包裝研究交流中心；上海尚微堂企業管理咨詢有限公司

協辦單位：征集中

會議規模：150～200人

二、論文征集

征集對象：擬參加本次峰會的企業及個人。

征集內容：功能性塑料包裝用原、輔材料；功能性塑料包裝的生產工藝與設備；功能性塑料包裝材料的性能及檢測技術；功能性塑料包裝的應用。

論文征集日期：2017年8月15日前提交論文題目及摘要，9月25日前提交完整論文。論文經審核后，收錄于“2017功能性塑料包裝創新峰會暨塑料委專家委員會年會”論文集中，部分優秀論文推薦到《塑料包裝》雜志發表。

三、日程安排

1、將邀請多名活躍在研發、生產第一線的知名專家、學者，分別就功能性塑料包裝相關議題進行講演和交流；

2、塑料委專家委員會年會；

3、實地考察中國功能性塑料包裝研究交流中心和企業；

四、收費原則

會務費：包含資料費、場地費、演講講課費、餐飲費、參觀工廠車費等，2000元/人；優惠條款：2017年8月31日前繳費報名的1800元/人；2017年9月30日前繳費報名的1900元/人；相關高校師生，1000元/人；同一企業2人以上5人以下報名的，1600元/人；組團參與的另行優惠。住宿及往返交通費自理；住宿可通過主辦方代訂。

聯系方式：李立：15692166715；gnxslbz@163.com 樊敏：15692166725；mfan@shou.edu.cn

吳尚平：15801966993；微信ycrtzbl；wushangping@126.com 陳昌杰:13817940074；ccj000@126.com

安毅：13801117271；13801117271@163.com

科思創進一步擴大聚碳酸酯產能

作為全球最大的聚碳酸酯生產商之一——科思創公司CHINAPLAS 2017期間宣布將再次大幅度擴大其上海一體化生產基地聚碳酸酯生產能力，通過脫瓶頸工程將產能提升至600 kt/a，以滿足亞太地區客戶的強勁需求。新產能將于2019年投入運營。科思創董事會成員兼首席技術官蕭楓博士表示：“擴產能對于滿足不斷增長的需求至關重要。該項目的順利完成將加強我們的全球生產網絡，也體現了我們對中國市場的一貫承諾。”科思創聚碳酸酯事業部總裁周彬彬女士表示：“電子電氣、醫療和汽車等主要客戶行業對聚碳酸酯樹脂和混合物的需求正快速增長，這一點在中國尤為突出。通過進一步擴大產能，我們可以更好地滿足客戶不斷變化的需求，保證這一高科技塑料的可持續供應。”同時，科思創通過在生產基地回收工業鹽水，展現其在高效、環保技術領域的領先地位。科思創通過再利用工業鹽水來生產氯氣和氫氧化鈉，而這兩種化學品正是生產聚碳酸酯的重要原材料，蕭楓博士表示：“通過使用我們創新的回收工藝技術，高水平的成本效益將得以保證。”

Preparation and Properties of Reinforced POM/TPU Composites withPotassium Hexatitanate Whiskers

XU Keke, LONG Chunguang, FU Yangwei, DONG Peiran, LIU Sijia

(School of Automobile and Mechanical Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410004, China)

Reinforced thermoplastic polyurethane elastomer (TPU)/polyoxymethylene (POM) composites with potassium hexatitanate whisker (PTW) were prepared by a melt mixing method. Effect of PTW content on mechanical properties of TPU/POM composites was studied, and impact fracture morphologies of the composites were investigated by scanning electron microscopy. The results indicated that the impact toughness of POM was significantly improved by the addition of TPU. The notch impact strength of the composites increased by a factor of 2.5 times compared with that of pure POM when 10 wt % TPU was incorporated. Nevertheless, the tensile and flexural strength showed a decrease in the presence of TPU. Mechanical properties of the composites at TPU/POM weight ratio of 10/90 could be significantly improved by the introduction of PTW. With the addition of 15 wt % PTW, the composites achieved optimum mechanical properties, in which the tensile strength, tensile modulus, elongation at break, flexural strength, flexural modulus, and notched impact strength reached 35.91 MPa, 248.32 MPa, 24.17 %, 144.94 MPa, 12.26 GPa, and 112.1 kJ/m2, respectively. Compared with those of TPU/POM composite, the tensile modulus, flexural modulus and notched impact strength of the POM/TPU/PTW composite increased by 14.7 %, 54.2 % and 9.2 %, respectively.

polyoxymethylene; potassium hexatitanate whisker; thermoplastic polyurethane; reinforcement

2017-01-10

TQ326.51

B

1001-9278(2017)06-41-0005

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.06.007

聯系人，502027190@qq.com