玻璃纖維增強聚丙烯復合材料的制備及其性能

程軍生

（玉林師范學院，廣西 玉林 537000）

聚丙烯（PP）因其優良的力學性能、化學穩定性，以及低廉的成本，在汽車制造、建筑建材、包裝材料等方面得到廣泛應用；但PP的低溫易脆斷、成型收縮率大、尺寸穩定性低的問題，限制了其進一步應用［1］。采用PP制造的塑性材料，拉伸強度僅為30～40 MPa，難以滿足高強度應用領域的需求，而非極性PP較差的親水及抗靜電性能，進一步限制了材料的二次加工［2-3］。因此，為擴展PP的工程應用領域，對PP的改性成為研究熱點［4-6］。通常，采用化學方法改變PP的原子種類和組成方式來提升PP復合材料的綜合性能，包括交聯、氯化、互穿聚合物網絡等［7-10］。利用物理改性來改變PP的聚集態結構，改變材料的性能，應用較多的有填充改性、表面改性、共混改性等［11-14］，但目前的技術手段均存在一定的缺陷。如添加乙烯-1-辛烯共聚物（POE）等增韌劑來提升PP的沖擊強度，但拉伸性能下降［15］；加入碳纖維作為增強劑，可提升PP的剪切強度，但拉伸強度存在一定程度的下降［16］。因此，不同的組成對PP復合材料的綜合性能影響存在較大差異。

本工作以玻璃纖維（GF）為增強劑，POE為增韌劑，馬來酸酐接枝POE（POE-g-MA）為增容劑，采用雙螺桿擠出機制備PP/POE/GF復合材料，并分析了復合材料的力學性能，以獲得綜合性能最優的復合材料配方。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP PPH-T03粒料，密度0.903 g/cm3，熔體流動速率3.5 g/10 min，中國石油化工股份有限公司武漢分公司；GF 988A，纖維直徑13 μm，中國巨石股份有限公司；POE 8150，1-辛烯摩爾分數為25%，密度為0.886 g/cm3，熔體流動速率為1.0 g/10 min，美國Dupont-Dow公司；POE-g-MA，接枝率1%，中國聚星材料公司。

1.2 主要儀器與設備

TE-35型雙螺桿擠出機，德國布拉本德公司；SEEV-A型注塑機，日本住友電氣工業株式會社；PH-750型沖擊試驗機，沃特拜試驗設備（南京）有限公司；UTM5305X型萬能拉伸試驗機，濟南恒思盛大儀器有限公司；JSM-5510LV型掃描電子顯微鏡，日本JSM公司。

1.3 試樣制備

采用高速混合機將預先配好的PP，POE，POE-g-MA在500 r/min條件下攪拌5 min，于60 ℃鼓風干燥1.5 h后取出備用。將物料置于雙螺桿擠出機中，螺桿溫度為220～230 ℃，主機頻率為8 Hz，喂料轉速為90～100 r/min，將混合均勻的物料由加料斗加入，進行熔融擠出，待平穩出料后，加入GF，通過雙螺桿剪切，保證GF與PP充分混合，GF含量由GF股數和主機轉速控制，擠出料經過水冷、風干后制得粒料。

1.4 測試與表征

擠出料干燥后，由注塑機得到橫截面為4 mm×2 mm的啞鈴狀拉伸樣條和80 mm×10 mm×4 mm（缺口厚度0.8 mm）的缺口沖擊樣條，注塑機溫度192～210 ℃。

拉伸強度按GB/T 1040.2—2006測試，拉伸速度為50 mm/min。缺口沖擊強度按GB/T 1043—2018測試，室溫，每組試樣測試5次，取平均值。

掃描電子顯微鏡（SEM）觀察：將試樣斷面置于正庚烷超聲刻蝕30 min后，經過乙醇、丙酮、超聲波清洗，于室溫條件下干燥，噴金處理，觀察斷面微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 POE對PP性能的影響

PP/POE復合材料配方見表1。

表1 PP/POE復合材料配方Tab.1 Formula of PP/POE composites

2.1.1PP/POE復合材料的微觀形貌

從圖1可以看出：POE均勻地分散在PP基體中，說明PP與POE存在一定相容性，為部分相容體系。

圖1 PP/POE復合材料的微觀形貌Fig.1 Microscopic morphology of the PP/POE composites

2.1.2POE用量對PP/POE力學性能的影響

從圖2可以看出：隨著POE用量增加，復合材料的沖擊強度顯著增加。純PP的缺口沖擊強度為7.5 kJ/m2，當POE用量25 phr時，試樣POE25的沖擊強度達到18.6 kJ/m2，較純PP的沖擊強度提升了148.0%，POE用量45 phr時，試樣POE45沖擊強度提高到30.2 kJ/m2。POE在PP基體中分散均勻，當材料受外力沖擊時，大顆粒POE作為應力集中點，誘發形成銀紋和剪切帶，吸收沖擊能量，且大量銀紋間形成干擾的應力場，降低了銀紋端應力，避免形成裂紋，提高了復合材料的沖擊強度［17］。從圖2還可以看出：隨著POE用量增加，復合材料拉伸強度下降明顯。純PP的拉伸強度為30.6 MPa；當POE用量為25 phr時，試樣POE25的拉伸強度降低到24.0 MPa；POE用量為45 phr時，試樣POE45的拉伸強度僅為20.6 MPa。POE作為一種模量較低的彈性體，加入到模量較高的PP基體中，容易降低復合材料的拉伸強度，且POE用量越多，拉伸強度下降越明顯［18］。為保證復合材料同時具備較高的沖擊強度和拉伸強度，選擇PP與POE的用量分別為100，25 phr。

圖2 POE用量對PP/POE復合材料沖擊強度和拉伸強度的影響Fig.2 Effect of POE content on the impact strength and tensile strength of PP/POE composites

2.1.3PP/POE的斷面形貌

從圖3可以看出：純PP的沖擊斷面光滑，斷裂痕跡較少，表明PP為脆性斷裂，主要由銀紋吸收沖擊能量。PP/POE復合材料銀紋和裂紋較多，吸收較多沖擊能量，一定程度提升了材料的韌性，PP/POE復合材料斷裂面形成了部分空穴，說明復合材料斷裂吸能可能存在空化機理［19］。

圖3 純PP與試樣POE25沖擊斷面的SEM照片（×500）Fig.3 Impact section SEM photos of pure PP and sample POE25

2.2 GF用量對PP/POE性能的影響

良好的PP/POE/GF復合材料需要同時具備較高的沖擊強度和拉伸強度。通常控制POE用量低于30 phr，以獲得性能優異的PP/POE/GF復合材料。PP/POE/GF復合材料的配方見表2。

表2 PP/POE/GF復合材料配方Tab.2 Formula of PP/POE/GF composites

2.2.1GF用量對PP/POE/GF力學性能的影響

從圖4可以看出：隨著GF用量的增加，復合材料的缺口沖擊強度逐漸下降；未加入GF時，PP/POE復合材料的缺口沖擊強度為18.6 kJ/m2，w（GF）為14.6%時，試樣GF1的沖擊強度為12.2 kJ/m2，w（GF）為27.9%時，試樣GF3的沖擊強度為12.6 kJ/m2，下降了32.2%，但較純PP的沖擊強度提高。隨著GF用量的增加，沖擊強度的降幅逐漸減小，這是由于定量的GF斷裂和拔出吸收了部分沖擊能量［20］。從圖4還可以看出：隨著GF用量的增加，復合材料的拉伸強度不斷提高，w（GF）為14.6%時，復合材料的拉伸強度為28.2 MPa。w（GF）為27.9%時，試樣GF4的拉伸強度增大到34.6 MPa，較PP/POE復合材料與純PP的拉伸強度分別提升了44.2%，13.1%。GF的加入彌補了POE加入導致的復合材料拉伸強度下降的問題。但相較于純PP，PP/POE/GF復合材料的拉伸強度并未大幅增加，主要是POE的存在削弱了GF的增加作用，但適量的GF能明顯增強材料的拉伸強度。

圖4 GF用量對PP/POE/GF復合材料沖擊強度及拉伸強度的影響Fig.4 Effect of GF dosage on the impact strength and tensile strength of PP/POE/GF compostes

2.2.2PP/POE/GF復合材料的斷面形貌

從圖5可以看出：GF能夠很好地分散在PP基體中。由于增容劑的存在，斷裂的GF上附著了大量的基體樹脂，GF與PP基體間良好的相容性可較好地傳遞外界的沖擊應力。當材料受沖擊力作用，GF通過拔出斷裂方式吸收沖擊能，POE粒子通過變形吸收沖擊能，二者共同延緩裂紋的發展［21］。但GF用量增加到一定程度時，GF與PP基體間界面作用減小，樹脂不能完全包裹GF，進而發生團聚現象，導致增強效果下降。為保證復合材料具備較強的增強效果，選擇GF質量分數為 27.9%。

圖5 不同GF含量復合材料沖擊斷面的SEM照片（×1 000）Fig.5 Impact section SEM photos of composites with different GF content

2.3 POE-g-MA用量對PP/POE/GF復合材料性能的影響

增容劑的加入能夠提升GF與PP基體的相容性，進而改善復合材料的綜合性能。加入POE-g-MA的復合材料的配方見表3。

表3 加入POE-g-MA的復合材料的配方Tab.3 Formula of the composites adding POE-g-MA

2.3.1POE-g-MA用量對PP/POE/GF復合材料力學性能的影響

從圖6可以看出：隨著POE-g-MA用量的增加，復合材料的沖擊強度提高。當POE-g-MA用量為10 phr時，試樣POE-g-MA5的沖擊強度為15.1 kJ/m2，較未添加增容劑時的沖擊強度提升了19.8%左右，較純PP的沖擊強度提高101.0%，表明增容劑能夠提升GF與PP基體的界面相互作用，降低由于GF加入而導致復合材料沖擊強度下降的問題。POE-g-MA用量進一步增加，復合材料的沖擊強度小幅增長，但增幅并不明顯。

圖6 POE-g-MA用量對PP/POE/GF復合材料沖擊強度及拉伸強度的影響Fig.6 Effect of POE-g-MA dosage on impact strength and tensile strength of PP/POE/GF composites

從圖6還可以看出：未添加增容劑時，復合材料的拉伸強度為34.6 MPa，POE-g-MA用量為10 phr時，復合材料的拉伸強度提高到37.8 MPa，較未添加增容劑時的拉伸強度提高9.2%，較純PP的拉伸強度提高23.5%。這是由于復合材料中未加入增容劑時，GF與PP基體不能夠很好地相容，GF在拉伸過程中容易拔出，不能作為骨架起到很好的支撐作用［22］。POE-g-MA含量進一步增加，復合材料的拉伸強度有所下降，可能是由于POEg-MA作為一類彈性顆粒，含量較高時，容易造成GF相互纏繞，分散不均，從而降低了GF對復合材料應力提升的作用。

綜上所述，當PP，POE用量分別為100，25 phr，GF質量分數為27.9%，POE-g-MA用量為10 phr時，復合材料的沖擊強度和拉伸強度較純PP分別提高了101.0%，23.5%。

2.3.2PP/POE/GF/POE-g-MA的斷面形貌

從圖7可以看出：未加入增容劑時，GF與PP基體間形成明顯的縫隙，直接影響到GF作為骨架對基體應力的傳遞作用，導致GF在較小的拉伸力作用下從基體中拔出，使復合材料力學性能下降。加入增容劑后，GF與PP基體間相容性逐漸改善，大量的基體樹脂附著在斷裂的GF上，使GF能夠被基體很好地包覆浸潤。因此，應該選擇不同的增容劑用量來保證POE與GF能夠形成協同作用，增強復合材料的韌性，獲得綜合性能更優的復合材料。

圖7 不同增容劑用量復合材料沖擊斷面的SEM照片（×2 000）Fig.7 SEM photos of the composite impact section with different compatibilizer dosage

3 結論

a）POE與PP存在一定相容性，PP/POE復合材料的沖擊強度提高，拉伸強度降低。POE用量為25 phr時，復合材料沖擊強度較純PP提高了148.0%。

b）PP/POE/GF復合材料中，GF可提升復合材料的拉伸強度，降低了材料的沖擊強度。

c）增容劑POE-g-MA顯著改善了GF與PP/POE的界面相容性。PP，POE用量分別為100，25 phr，GF質量分數為27.9%，POE-g-MA用量為10 phr時，復合材料的沖擊強度較純PP提高101.0%，拉伸強度提高23.5%，有效提升了材料的增強增韌效果。