空心玻璃微珠增強聚丙烯材料的性能研究

王幫進

(中鋼集團馬鞍山礦院新材料有限公司，安徽馬鞍山 243000)

聚丙烯具有力學性能良好、絕緣性能優、耐應力、易加工等優點,已被廣泛地應用于各個領域中[1-3]。空心玻璃微珠是一種尺寸微小的空心球,屬于無機非金屬材料,結構由外壁硬玻璃體與內部氣體兩部分組成,具有質輕、低導熱、化學穩定性好、耐高低溫、電絕緣性、熱穩定性好等優點[4-5]。由于空心玻璃微珠與聚丙烯極性差異較大,表面能較高,二者相容性很差,因此難以得到性能優異的復合材料。本實驗通過空心玻璃微珠表面預處理,通過馬來酸酐接枝得到性能優異的復合材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料及實驗儀器

1.1.1 實驗原材料

PP:K8003,中韓(武漢)石油化有限公司；抗氧劑:168,巴斯夫股份公司；抗氧劑:1010,巴斯夫股份公司；EBS:星貝達(上海)化工材料有限公司；空心玻璃微珠:Y12000,中鋼集團馬鞍山礦院新材料科技有限公司；相容劑:CMG9801,佳易容相容劑江蘇有限公司。

1.1.2 實驗儀器

TSB-36 型同向平行雙螺桿混煉擠出機,江蘇誠盟裝備股份有限公司；EM80-SVP/2 注塑機,震雄塑料機械有限公司；懸臂梁沖擊試驗機,上海衡翼精密儀器有限公司；ZMD-1 電子密度儀,上海方瑞儀器有限公司；維卡軟化溫度測定儀НDT/V-1104,承德市金建檢測儀器有限公司；M221-C 試驗機,上海衡翼精密儀器有限公司。

1.2 樣條制備

本實驗通過相容劑對空心玻璃微珠表面處理,再與PP 混合,通過加入不同比例的空心玻璃微珠得到不同比例含量的空心玻璃微珠增強聚丙烯材料。混配料通過雙螺桿擠出機擠出,加熱工藝溫度170～200 ℃,擠出后用水冷卻,干燥,切粒機切粒。

粒子用注塑機制作樣條,注塑溫度在190～210 ℃,注塑壓力80MPa。

1.3 性能測試

密度按照ISО 1183 測試；拉伸性能按 ISО 527 測試；彎曲性能按 ISО 178 測試；沖擊性能按 ISО 180 測試；維卡軟化溫度按ISО 306 測試。

2 結果與討論

2.1 密度

圖1 是空心玻璃微珠含量對材料密度的影響圖。

圖1 空心玻璃微珠含量對材料密度的影響Fig.1 Eff ect of content of hollow glass bead on density of material

由圖1 可以看出,復合材料的密度隨著空心玻璃微珠含量的增加而減小。主要是由于Y12000 真實密度0.60g/cm3,比重輕體積大,空心玻璃微珠填充后可大大減輕改性產品的比重。空心玻璃微珠加入體系后,能夠有效地降低復合材料的密度。

2.2 拉伸強度和斷裂伸長率

由圖2 可以看出,材料的拉伸強度先升后降。當空心玻璃微珠含量為5% 時,拉伸強度達到最大,主要是由于空心玻璃微珠含量低時不易發生集聚現象,與PP 材料之間分散較好且比較均勻。含量較少時對PP 基體造成損傷相比含量高時小很多,與PP 基體的界面相容性較好,從而使復合材料的拉伸強度得到提高。但是,空心玻璃微珠含量的進一步增大,拉伸強度呈現下降趨勢。由于空心玻璃微珠含量的增加,空心玻璃微珠發生團聚現象,當聚合物受到外界拉力時,空心玻璃微珠與PP 間的界面首先發生脫落,在材料中形成應力集中點,使材料內部形成脆弱區域,從而導致復合材料的拉伸強度降低。

圖2 空心玻璃微珠含量對材料拉伸強度的影響Fig.2 Eff ect of content of hollow glass bead on tensile strength of material

由圖3 可以看出,復合材料的斷裂伸長率隨著空心玻璃微珠含量的增加而呈現下降趨勢。空心玻璃微珠填充PP 后,基體與粒子的界面結合并不十分理想。隨著空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠與基體結合力有降低趨勢,導致基體間材料的間隙變大,從而使單位截面積上基體受力變小,所以在一定程度使復合材料的斷裂伸長率減小。

圖3 空心玻璃微珠含量對材料斷裂伸長率的影響Fig.3 Effect of content of hollow glass bead on elongation at break of material

2.3 彎曲強度和彎曲模量

由圖4、圖5 可以看出,當空心玻璃微珠含量增加時,彎曲模量和彎曲強度都增大。同時也可以得到彎曲性能隨著空心玻璃微珠的加入而非常敏感。與純PP 相比,當空心玻璃微珠含量達20% 時,彎曲模量相對于純PP的兩倍。復合材料任一橫截面上有大量的空心玻璃微珠來承載負荷,而使這些空心玻璃微珠從樹脂中抽出或者斷裂,需要對其復合材料施以更大的負載去克服空心玻璃微珠與PP 基體之間的各種力。同時,由于空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠之間的樹脂層變薄。樹脂的形變也受到空心玻璃微珠的約束,因而復合材料的彎曲模量也隨之增大。

圖4 空心玻璃微珠含量對材料彎曲強度的影響Fig.4 Eff ect of content of hollow glass bead on bending strength of material

圖5 空心玻璃微珠含量對材料彎曲模量的影響Fig.5 Eff ect of content of hollow glass bead on bending modulus of material

2.4 沖擊強度

由圖6 可以看出,隨著空心玻璃微珠的增加,沖擊強度呈現下降趨勢。主要是隨著空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠容易在基體內堆積而導致分布不均,從而形成內部缺陷。而在玻璃微珠增強聚丙烯時不能引起銀紋并且也沒有阻止裂紋擴展,材料空化效應也不強,隨著空心玻璃微球顆粒的加入導致聚丙烯材料內部存在大量的應力集中點,當受到外力沖擊時,它誘發裂紋增長導致材料發生斷裂,使沖擊強度下降。

圖6 空心玻璃微珠含量對材料沖擊強度的影響Fig.6 Eff ect of content of hollow glass bead on impact strength of material

2.5 維卡軟化溫度

由圖7 可以看出,隨著空心玻璃微珠含量的增加,維卡軟化溫度呈現上升趨勢。當空心玻璃微珠含量進一步增加時,其微粒團聚形成較大顆粒,剪切流動時,顆粒間碰撞及摩擦產生阻力,導致體系流動性下降,因此復合材料的維卡軟化溫度隨著空心玻璃微珠含量的增加而升高。

圖7 空心玻璃微珠含量對維卡軟化溫度的影響Fig 7 Effect of content of hollow glass bead on Vicat softening point of composite

3 結論

(1)復合材料的密度、斷裂伸長率和沖擊強度隨著空心玻璃微珠含量的增加而減小,拉伸強度先增大而減小,彎曲強度、彎曲模量和維卡軟化溫度隨著空心玻璃微珠的含量增大而增大。

(2)當空心玻璃微珠含量5% 時,復合材料的力學性能最優。當少量空心玻璃微珠加入時,使其在PP 樹脂中形成多維網狀結構,起到協同增強作用,使復合材料的力學性能得到提高。由于添加空心玻璃微珠使復合材料密度降低明顯,因此在汽車輕量化材料方面具有廣闊的應用前景。