碳纖維自行車用硼酸鎂晶須聚丙烯復合材料的性能研究

定 茜

（西安醫學院，陜西西安710021）

近代以來，復合材料以其優異的性能被廣泛地應用于汽車工業、航空、航天、醫療、化工、機械制造等領域[1]。在汽車工業領域，復合材料可以用來制造發動機架、汽車車身、傳動軸、受力構件等。在航空航天領域，復合材料可以用來制造航天飛機結構件、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、衛星天線及其支撐結構、飛機機翼和前機身、發動機殼體等。此外，復合材料還可以用來制造體育運動器件，如碳纖維自行車材質、跳高用橫桿等并且可以作為建筑材料應用于建筑領域[2]。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

硼酸鎂晶須，聚丙烯，尼龍6，二甲基亞砜，丙酮(分析純)，偶氮二異丁腈(AIBN)，硼酸酯偶聯劑BE-1，自制硼酸酯偶聯劑BE-2，自制硼酸酯偶聯劑SPE-1，硼酸酯偶聯劑SB-181，無水乙醇(分析純)，甲苯(分析純)，蒸餾水自制過氧化苯甲酰(BPO)，無水乙醇(分析純)[3]。

1.2 實驗儀器

JPT-5托盤天平，FA2104N電子天平，WQF-520紅外光譜儀，TE-20型雙螺桿擠出機，JHP-10型注塑機，XBJJ計算機控制擺錘沖擊試驗機，SCS200智能切粒機，JSM-7500F型掃描電子顯微鏡，DHT攪拌恒溫電熱套，SHB-III(A)型循環水多用真空泵，ZWK1302-2型熱變形溫度測定儀，DZ-1A型真空干燥箱，KQ-B超聲清洗器，WSM-20KN微機控制電子萬能試驗機[4]。

2 實驗方法

2.1 硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的制備

以聚丙烯(PP)為基體，以硼酸鎂晶須為增強材料，制備硼酸鎂晶須復合材料。按照硼酸鎂晶須含量分別為20%、25%、30%和35%的配比，以硼酸鎂晶須(未改性的和經過改性的)為填充料，與聚丙烯(PP)混合，在適當的溫度和轉速下在雙螺桿擠出機中擠出，通過水槽冷卻[5]，然后在切粒機上造粒，造出的粒子經過烘干，再由注塑機注射樣條，制取以供測試的標準樣條。

2.2 復合材料性能的測試

（1）拉伸性能測試

采用標準GB/T 1040-92進行拉伸性能測試。樣品總長度(L)是180mm，中間平行段的長度(L1)是（55±0.5）mm，標距(L0)是（50±0.5）mm，夾具間距離(L3)是（115+5）mm，中間平行段的寬度(b)是（10±0.5）mm，端頭厚度(d)是2～10mm，寬度(b1)是（20±0.5mm），所制備的試樣如圖1所示[6]。

圖 1 試樣拉伸圖Fig. 1 The tensile diagram of sample

（2）沖擊性能的測試

采用標準GB/T1043-93進行沖擊性能測試。所用試樣條的尺寸是80mm×10mm×4mm。試樣的寬度(b)是板的厚度，厚度是6～10mm，所制備的試樣如圖2所示[7]。

圖2 沖擊試樣圖Fig. 2 The impact of sample diagram

（3）彎曲性能測試

采用標準GB/T 9341-2000進行彎曲性能測試。采用三點彎曲法，彎曲規定撓度是3mm，彎曲速度是2mm/min。

（4）熱變形溫度測試

熱變形溫度按GB/T 1634.2-2004進行測試。變形量為1.00mm，升溫速率50℃/h，上限溫度＜350℃。

（5）復合材料形貌表征

本實驗利用掃描電鏡，觀察材料中硼酸鎂晶須和聚合物基體之間的界面結合情況。掃描電鏡型號為日本JEOL公司生產的JSM-7500F型掃描電子顯微鏡[9]，配備EDAX-EDS，工作電壓為10kV，工作距離為7mm，分辨率為1nm。

3 結果與討論

3.1 硼酸鎂晶須含量對拉伸強度的影響

圖3為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料拉伸強度的影響。由圖3可見，三種復合材料的拉伸強度都呈先增加后減小的趨勢，當硼酸鎂晶須填充量為30%時，拉伸強度達到最大值[8]。BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料拉伸強度比純聚丙烯提高了29.5%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料提高了9.1%；BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料拉伸強度比純聚丙烯提高了35.2%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料提高了13.8%。

圖3 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料拉伸強度的影響Fig. 3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of polypropylene composites

3.2 硼酸鎂晶須含量對試樣彎曲強度的影響

圖4 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料彎曲強度的影響。由圖4可以看出，當表面處理的硼酸鎂晶須含量增加時，復合材料的彎曲強度均有明顯增加，在硼酸鎂晶須含量達到30%時有最大值出現[9]，BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料彎曲強度比純聚丙烯提高了40.0%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料提高了23.5%；BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料彎曲強度比純聚丙烯提高了44.4%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料提高了27.5%。

圖4 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料彎曲強度的影響Fig. 4 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of polypropylene composites

3.3 硼酸鎂晶須含量對試樣沖擊強度的影響

圖5 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料沖擊強度的影響。由圖5看出，隨著硼酸鎂晶須用量的增加，材料的沖擊強度呈下降趨勢。這一變化趨勢符合晶須增強熱塑性塑料改性的一般原理。由于作為分散相的硼酸鎂晶須是剛性的，當受到沖擊力作用時無法發生形變，也不能產生銀紋吸收沖擊能[10]。因為硼酸鎂晶須的剛性效應強于聚丙烯的韌性效應，所以會使復合材料的脆性提高，沖擊性能下降。在受到外力作用時，裂紋容易擴散到界面上，進而透過脆性的硼酸鎂晶須。這種情況下，應該增強硼酸鎂晶須與基體界面的結合程度。由圖5還可以看出，經過表面改性的硼酸鎂晶須所制備的復合材料沖擊強度明顯優于未改性的硼酸鎂晶須。這是因為前者能夠與聚丙烯基體結合緊密，減小了無機填料造成的沖擊性能下降的程度，但該種聚丙烯復合材料的沖擊強度要低于純聚丙烯[11]。

圖5 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復合材料沖擊強度的影響Fig. 5 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of polypropylene composites

3.4 硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的微觀結構分析

圖6 為BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的SEM圖（晶須含量為30%）。從圖6中可以看出，硼酸鎂晶須在聚丙烯基體中有良好的分散，硼酸鎂晶須與聚丙烯界面結合緊密。說明硼酸鎂晶須經硼酸酯偶聯劑BE-2處理后能夠被聚丙烯基體浸潤，使得硼酸鎂晶須與聚丙烯基體間有良好的界面層，可以充分發揮硼酸鎂晶須的增強作用，有助于改善硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的性能。

圖 6 硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的SEM圖(晶須含量30%)Fig. 6 The SEM diagram of magnesium borate whisker /polypropylene composite (30% of whisker content)

4 結論

硼酸酯類偶聯劑的偶聯劑在改性硼酸鎂晶須上具有較好的改性效果，同時PP/Mg-BE-1和PP/Mg-BE-2復合材料的力學性能大大優于PP/Mg，PP/Mg-SPE-1和PP/Mg-SB-181復合材料的力學性能。隨著硼酸鎂晶須含量的增加，復合材料的拉伸強度和彎曲強度逐漸增大，在晶須含量為30%時達到最大值。當硼酸鎂晶須含量為30%時，硼酸鎂晶須/聚丙烯復合材料的綜合性能最佳，符合體育用碳纖維自行車材質要求。