填料對聚丙烯力學性能的影響

雷祖碧，王 飛，王浩江，馬 玫，譚卓華，楊育農(nóng)

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

無機填料具有資源豐富、價格低廉、品種規(guī)格具有多樣性，毒性低，容易混煉加工等特點，在塑料工業(yè)中使用由來已久。填充改性是高分子材料工業(yè)發(fā)展中不可缺少的重要支柱，已成為高分子材料基礎(chǔ)理論研究、工藝技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中最活躍、前景最廣闊的領(lǐng)域之一[1-4]。鑒于新型微粉相比市場上廣泛應(yīng)用的碳酸鈣和滑石粉有價格優(yōu)勢，筆者從市場上分別選擇碳酸鈣和滑石粉粉體，與新型微粉在聚丙烯中進行應(yīng)用試驗對比研究，分析三種無機填料對PP 力學性能的影響作用。以新型微粉替代PP 運動地板產(chǎn)品配方中的相同份數(shù)的滑石粉，分析新型微粉應(yīng)用于PP 地板料性能的效果。

1 實驗部分

1.1 主要原料

新型微粉（Mi），廣東利盈投資集團，輕質(zhì)型耐磨微粉工業(yè)級，1500 目；滑石粉（Ta），工業(yè)級，1250 目，廣州市旺路達化工公司；碳酸鈣（Ca），工業(yè)級，1500 目，廣州市旺路達化工公司；PE 蠟，工業(yè)級，市售；硬脂酸鈣，工業(yè)級，市售；聚丙烯（PP）,通用級，殼牌；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，工業(yè)級。

1.2 主要儀器及設(shè)備

同向雙螺桿擠出機：TDS-35，南京諾達高聚物裝備有限公司；注塑機：BT-80V-I，廣州創(chuàng)博有限公司；拉伸試驗機，H10KS 萬能材料拉試驗機（電子）：英國HOUNSFIED 公司；復(fù)合式?jīng)_擊試驗機：XJF-5.5，承德市金建檢測儀器有限公司；電熱鼓風干燥箱：JC101 型，上海成順儀器儀表有限公司；熔體流動速率儀：XNR-400B，承德市金建檢測儀器有限公司；高速混料機：SHR-10A,張家港市輕工機械有限公司。

1.3 試驗流程

實驗需用偶聯(lián)劑將碳酸鈣、滑石粉及新型微粉進行表面改性，以增加與PP 基體的親和性[5]。將三種填料分別在高速混合機中，混合機轉(zhuǎn)速為2000r/min，溫度80℃，攪拌20min 后，加入適量的偶聯(lián)劑后，繼續(xù)攪拌20min 即可。以碳酸鈣、滑石粉及新型微粉不同填充量與PP 配比，通過雙螺桿擠出機造粒后用注塑機注塑成型標準樣條，按國家標準檢測樣條的相關(guān)力學性能。

1.4 性能測試與表征

拉伸試驗：按GB/T 1040-2006 進行，拉伸速率10mm/min；懸臂梁缺口沖擊試驗按GB/T 1843-2008 進行；彎曲強度試驗按GB/T 9341-2008 進行。熔融指數(shù)測試按GB/T 3682.1-2018 進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充聚丙烯的性能

由表1 數(shù)據(jù)可知，隨著碳酸鈣填充量的逐漸增加，PP 材料的拉伸強度和懸臂梁缺口沖擊強度總體上呈現(xiàn)下降的趨勢；而彎曲強度則先降后上升，但不是很明顯；斷裂伸長率則變化不明顯；填充量對PP 材料熔融指數(shù)的影響不大，當填充量達到15 份后，材料的密度基本上都大于1g/cm3。

表1 填料對PP 性能的影響Table1 Effect of filler materials on the properties of PP

隨著滑石粉填充量的增加，拉伸強度的變化不大，彎曲強度逐漸變大, 缺口沖擊強度和斷裂伸長率則逐漸下降；當填充量≤15% 時，材料的密度基本上都小于1g/cm3。

隨著新型微粉填充量的增加，除彎曲強度外，拉伸強度、缺口沖擊強度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)下降的趨勢。新型微粉與碳酸鈣填充PP 材料相比，在拉伸強度、彎曲強度、缺口沖擊強度和斷裂伸長率等性能方面相當，且在填充量較低的情況下，斷裂伸長率表現(xiàn)更佳；而與滑石粉填充PP 材料相比，在拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊強度等方面的性能相當，但斷裂伸長率明顯較高。

2.2 新型微粉、碳酸鈣和滑石粉對聚丙烯力學性能影響 的對比

為了更直觀地比較新型微粉與碳酸鈣和滑石粉對PP性能的影響，以下就新型微粉與碳酸鈣和滑石粉對PP 各項性能包括拉伸強度、斷裂伸長率、懸臂梁缺口沖擊強度和彎曲強度的影響通過曲線圖(圖1～圖4）進行對比。

圖1 不同填料種類及用量下PP 的拉伸強度Fig.1 Tensile strength of PP with different types and amounts of filler materials

由圖1 可知，碳酸鈣和滑石粉相比，滑石粉填充PP材料的拉伸強度最高，且其值隨著填充量的增加變化不大；微粉和碳酸鈣填充PP 材料的相當；當填充量達到35 份時，除了滑石粉外，其他2 種材料的拉伸強度均明顯下降。

由圖2 可以看到，對于滑石粉填充PP 材料，當填充量在5 份時，其斷裂伸長率急劇下降，之后隨著填充量的增加，緩慢下降；而碳酸鈣填充PP 材料的斷裂伸長率呈現(xiàn)先降低、再升高的變化趨勢；隨著填充量的增加，微粉填充PP 材料的斷裂伸長率總體呈逐漸降低的變化，當填充量在15 份時，微粉填充PP 材料的斷裂伸長率最高；當填充量達到35 份時，碳酸鈣填充PP 材料的斷裂伸長率最高，微粉填充PP 材料次之，滑石粉的最低。

圖2 不同填料種類及用量下PP 的斷裂伸長率Fig.2 Elongation at break of PP with different types and amounts of filler materials

由圖3 可知，在填充量相同的情況下，除了填充量15 份外，滑石粉填充PP 材料的缺口沖擊強度均明顯高于其他2 種材料；當填充量為5 份時，3 種材料的缺口沖擊強度由大到小依次為滑石粉、碳酸鈣、微粉；當填充量為15 份時，3 種材料的缺口沖擊強度由大到小依次為微粉、滑石粉、碳酸鈣；在其它幾個填充量下，除了滑石粉外，其他材料的缺口沖擊強度相差不大。

圖3 不同填料種類及用量下PP 的沖擊強度Fig.3 Impact strength of PP with different types and amounts of filler materials

由圖4 可以看到，隨著粉體填充量的增加，滑石粉填充PP 材料的彎曲強度也隨之增大，另外2 種材料的變化趨勢相似，但彎曲強度的變化不大；在粉體填充量相同的情況下，滑石粉填充PP 材料的彎曲強度明顯高于其他2 種材料。

圖4 不同填料種類及用量下PP 的彎曲強度Fig.4 Bending strength of PP with different types and amounts of filler materials

2.3 新型微粉對聚丙烯運動地板料性能的影響

以相同份數(shù)的新型微粉替代我司PP 運動地板料中的滑石粉，然后將制得的材料與我司PP 運動地板料的性能進行比對，表2 是新型微粉對PP 運動地板料基本性能的影響。

由表2 數(shù)據(jù)可知，在相同的配方條件下，新型微粉填充材料的密度較小；滑石粉填充的地板料的彎曲強度、彎曲模量以及沖擊強度較高，對于新型微粉填充材料而言，僅在拉伸強度方面有所提高，總體來說添加滑石粉的地板料的性能較優(yōu)。

表2 新型微粉對PP 運動地板料性能的影響Table 2 Effect of new micro powder on the properties of PP floor materials

3 結(jié)論

（1）滑石粉、碳酸鈣及新型微粉三種填料的使用對PP 有一定程度的補強作用，使PP 材料的彎曲強度增大。

（2）新型微粉和碳酸鈣填充PP 材料的拉伸強度相當，滑石粉對PP 材料的拉伸強度影響不明顯。

（3）除填充量15 份外，滑石粉填充PP 材料的沖擊性能明顯優(yōu)于碳酸鈣、新型微粉填充PP 材料；填充量為15 份時，3 種PP 材料的缺口沖擊強度由大到小依次為微粉、滑石粉、碳酸鈣。

（4）新型微粉填充PP 地板料的彎曲強度、彎曲模量和缺口沖擊強度較低。