聚丙烯/CaCO3復合材料的制備及力學性能

李仕波 朱江

摘 要：在本研究中，采用不同形狀的碳酸鈣納米粒子（菱形和球形）改性等規聚丙烯（PP）。采用SEM、IZOD沖擊試驗機和多功能塑料硬度儀對復合材料的性能進行了研究。結果表明，碳酸鈣的形態對PP基體的增韌作用起著重要作用。

關鍵詞：納米碳酸鈣；聚丙烯；力學性能

1. 引言

等規聚丙烯（PP）是一種具有優異綜合性能的工業聚合物，由于其加工性能好、價格低廉，在許多領域得到了廣泛的應用。然而，聚丙烯的廣泛應用仍然受到其高收縮率、低模量、低溫沖擊強度低和相對較差的耐沖擊性的限制[1， 2]。因此，PP的增韌研究受到廣泛關注。到目前為止，主要的增韌方法有彈性體增韌[2]、剛體增韌改性[3]和成核劑改性[4]。特別是無機粒子的改性，由于其良好的剛度和經濟效益而被廣泛研究。近年來，隨著超細碳酸鈣技術的發展，對納米碳酸鈣改性PP進行了深入的研究[5， 6]，但是忽略了CaCO3不同形態對PP性能的影響。

在此之前，對PP/CaCO3復合材料的結晶性能進行了研究，結果表明，碳酸鈣的形態在PP結晶行為中起重要作用，RCC促進了更多的β晶形成，詳細情況在另一篇論文中進行了介紹。在本文中，主要研究了RCC和SCC對PP/CaCO3復合材料力學性能的影響。

2.實驗部分

2.1 原材料

等規聚丙烯（T30S）由中國石油天然氣總公司蘭州石化公司提供，熔體流動指數為2.6g/10min。

菱形碳酸鈣（RCC）由納米材料技術有限公司（中國山西芮城）提供，球形碳酸鈣（SCC）是由環境材料與修復技術重慶市重點實驗室根據Volodkin等人研究報告[7]的程序而制作。所有其他化學品和溶劑使用的分析純等級。

2.2 PP/CaCO3復合材料的制備

將不同質量比的PP和CaCO3混合物送入轉矩流變儀（RM-200A， 哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司），三個溫度區分別為185℃、190℃和185℃，扭矩轉速為60轉/分。然后用硫化機（XLB-400*400*2/0.25mm，青島忻城一明橡膠機

2.3 表征

用掃描電子顯微鏡（SEM） （Philips XL-3， FEI， Oregon， USA）在20kV的加速電壓下對納米顆粒的形貌及其在PP中的分散進行了觀察。在測試前，樣品進行表面噴金處理。

拉伸試驗是使用萬能試驗機（CMT4104， 中國深圳SANS試驗機有限公司）在50mm/min的拉伸速度下進行的。彎曲試驗使用相同的萬能試驗機進行，測試速度為5mm/min。無缺口沖擊試驗是在擺錘式沖擊試驗機（ZBC2000，中國深圳SANS試驗機有限公司）上進行的。每項性能檢測至少使用五個樣品分別進行測試，報告取其平均值。

3. 結果與討論

3.1掃描電鏡圖像分析

圖1顯示了不同形態CaCO3顆粒及其與PP的復合物的形態。由圖1（a）和（d）可以看出，RCC納米顆粒具有更大的晶粒尺寸 （～900nm） 和其由層狀方解石組成的規則菱面體形狀；SCC納米顆粒的尺寸在400～600 nm之間，外觀呈球狀。圖1 （b）、（c）、（e）和（f）顯示了RCC和 SCC粒子均勻分散在PP中，且均與PP基體具有良好的相容性。

3.2 力學性能

為了研究CaCO3顆粒含量對PP力學性能的影響，進行了一系列力學試驗，包括拉伸試驗、彎曲試驗機無缺口沖擊試驗。表1顯示了不同CaCO3含量的PP/CaCO3復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度和無缺口沖擊強度的變化。從表1可以看出，隨著CaCO3質量分數從2%增加至4%，復合材料的抗拉強度和抗彎強度都逐漸降低。當復合材料中CaCO3質量分數超過8%，拉伸強度和彎曲強度均逐漸增加。另一方面，相對于拉伸強度和彎曲強度的變化趨勢而言，PP/CaCO3復合材料的斷裂伸長率和無缺口沖擊強度呈相反的變化趨勢。如表1所示，當CaCO3的添加量為4%時，斷裂伸長率和無缺口沖擊強度均達到最大值，而超過4%是出現大幅度降低。這些數據表明，不同形態的CaCO3添加PP中，均能改善其力學性能。眾所周知，碳酸鈣是一種對PP復合材料具有增韌作用的剛性粒子。通常，PP結晶物中主要為α晶型。如圖2（a）所示，α球晶尺寸大且邊界清晰[8]，在拉伸過程中會產生缺陷，因此導致PP復合材料的韌性較差。然而，隨著CaCO3顆粒的加入，PP基體中表現出優異抗沖擊性能[9]的β晶體逐漸增多，見圖2（b）（c）、（d）。因此，PP復合材料的韌性得以提高。就SCC而言，其尺寸小于RCC，具有與PP基體更大的接觸面積（見圖1）。因此SCC很容易在PP基體中產生一定的應力集中。在進行力學測試時，由于PP基體與SCC顆粒之間的界面會形成微孔而消耗大量的能量[10]，從而有效減緩或阻止裂紋發展。因此，PP/SCC復合材料的斷裂伸長率明顯大于PP/RCC復合材料。

4. 結論

本研究采用不同形狀的碳酸鈣納米粒子（菱形體和球形）對等規聚丙烯進行改性。結果表明，碳酸鈣的形態對PP基體的增韌作用起著重要作用。復合材料的無缺口沖擊強度和斷裂伸長率隨碳酸鈣含量的增加先增大后減小，當碳酸鈣含量在4%時，達到最大值，表現出良好的韌性，添加了SCC的PP復合材料尤為明顯。

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