PP/EPDM/碳納米管復合材料的性能研究

謝艷亭 耿宏偉 劉俊杰 陳 燕 郝文姝

（朔州陶瓷職業技術學院材料工程系，山西 懷仁 038300）

0 前言

聚丙烯（Polypropylene，PP）[1-3]具有結構規整、結晶度高、吸水率極低、不需要干燥、密度低、質量最輕以及容易加工成型等優點，而且還具有優良的耐腐蝕性和電絕緣性。但是，PP 的韌性較差，因此限制了它的應用范圍，而PP/彈性體增韌體系可以解決該問題，常用于PP 共混的彈性體有三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）、乙丙橡膠（Ethylene Propylene Rubber，EPR）和聚烯烴彈性體（Poly Olefin Elastomer，POE）[1]。其中，EPDM、POE 對PP 的增韌改性效果最好，而EPDM、PP 的相容性較高，在制備PP/EPDM 共混物的過程中不添加相容劑也可以獲得很好的增韌效果。此外，聚丙烯優良的絕緣性為人們的生活提供了便利。與此同時，由靜電所導致的危害也極大地影響了其應用，采用無機導電填料來填充PP 可以很大程度地避免這種危害，提高其導電性，碳納米管[2]作為一種性能優異的無機導電填料，在與高分子塑料混合后，共混物的導電性與拉伸沖擊強度等都會得到明顯改善。因此該文通過熔融共混法[2-3]制備了PP/EPDM/碳納米管復合材料，探究各組分對該復合材料性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗設備及測試儀器

該文使用的試驗設備及測試儀器見表1，通過試驗設備制備共混物，制得的共混物通過試驗儀器進行測試分析。?

表1 試驗設備及測試儀器

1.2 試驗材料

該文制備共混物所使用的試驗材料見表2。

表2 試驗材料

1.3 試驗流程

1.3.1 碳納米管的純化

采用混酸法處理[4-8]，濃硫酸與濃硝酸比例為3 ∶1，先經過電磁震蕩0.5 h，然后水浴機械攪拌2.0 h，最后抽濾烘干進行紅外表征。

具體流程如下：先稱取2 g 碳納米管，進行碳納米管純化的初步測試。首先，需要把待用的儀器量具洗凈烘干，將稱好的碳納米管置于三口燒瓶中，接下來量好濃硝酸和濃硫酸，濃硫酸與濃硝酸的比例為3 ∶1，初步混合好后，將三口燒瓶置于電磁振蕩器中，時間為0.5 h，使其得到初步混合，振蕩結束后，提前準備鐵架臺、水浴鍋和攪拌棒，并將水浴鍋的溫度升至80 ℃。其次，對碳納米管等物質進行水浴加熱，機械攪拌，2.0 h 后取下靜置一段時間使其分層，倒掉上清液，然后進行抽濾直至中性，置于蒸發皿中放在60 ℃的烘箱中烘干。最后，用研缽研磨進行紅外測試，直至成功后再進行大量的純化，以備后期使用。

1.3.2 PP/EPDM 二元共混物的制備

在配方的設計過程中，先以PP 為基體，以一定的配比（例如0%、5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%）加入EPDM，將過氧化二異丙苯（DCP）作為交聯劑，以制得共混物，PP 與EPDM 二元共混物的具體的原料組成見表3。其中，PP 的添加量固定，EPDM 的添加量作為單一變量不斷增加，根據性能分析PP 與EPDM 的最佳配比。

表3 PP/EPDM 的二元共混物配方

1.3.3 PP/EPDM/碳納米管三元共混物的制備

對PP/EPDM 二元共混物的力學性能進行分析，當EPDM的添加量為30%時，PP/EPDM 復合材料的綜合力學性能較高，因此，當后期制備PP/EPDM/碳納米管共混物時，采用EPDM 為30%的最佳配比，然后在該基礎上討論碳納米管的用量對該三元共混物性能的影響。PP/EPDM/碳納米管三元共混物的具體配方見表4，PP 和EPDM 的添加量固定，碳納米管的添加量作為單一變量不斷增加，分別制得PP/EPDM/碳納米管三元共混物。

表4 PP/EPDM/碳納米管三元共混物的配方

2 結果與討論

2.1 碳納米管的紅外表征

紅外光譜在聚合物的表征及測試中主要用來分析分子的內部結構和堅定聚合物，紅外光譜分析分為定性、定量分析。紅外光譜的橫坐標一般為波數，縱坐標一般為吸光度，主要從譜帶的形狀、譜帶吸收峰的強度以及吸收譜帶的位置來分析紅外圖。

碳納米管酸化前后的紅外表征圖的對比如圖1 所示。由圖1 可知，在4 000 cm-1~3 000 cm-1的光譜區域內，酸化之后的碳納米管的吸收峰明顯增強，說明純化之后的碳納米管的O-H 鍵明顯增多；在1 900 cm-1~1 650 cm-1的光譜區域內，酸化后的碳納米管的吸收峰也有一定程度增強，說明純化后的碳納米管的C=O 鍵也增多了；在1 500 cm-1~1 000 cm-1的光譜區域內，純化過的碳納米管的吸收峰也比原來的碳納米管強。綜上所述，純化過后的碳納米管與原來的碳納米管相比，羥基與羧基都明顯增多，即碳納米管酸化后改性成功。

圖1 碳納米管純化前后的紅外表征

2.2 PP 復合材料力學性能的表征

材料的力學性能是指材料在不同溫度、不同介質的環境下，承受各種外加載荷（例如拉伸、彎曲、扭轉、沖擊以及交變應力等）所表現出來的力學特征。該試驗主要采用拉伸強度及沖擊強度對該復合材料的力學性能進行表征。拉伸強度、沖擊強度（采用沖擊能量除以缺口處的橫截面積來計算）均取平均值，以減少偶然誤差。

2.2.1 PP/EPDM 復合材料的力學性能

EPDM 用量與PP/EPDM 復合材料拉伸強度和沖擊強度的關系如圖2 所示。

圖2 EPDM 用量與PP/EPDM 共混物拉伸強度的關系

由圖2 可知，隨著EPDM 用量增加，PP/EPDM 復合材料的拉伸強度先下降后上升，再下降又上升，最后趨于穩定的變化趨勢，純PP 的拉伸強度為27.5 MPa，隨著EPDM 添加量不斷增加，PP/EPDM 復合材料的拉伸強度總體呈下降的趨勢，而且總體下降不超過10.0 MPa。因此，可以認為加入EPDM 會使PP/EPDM 復合材料的拉伸強度小幅度地下降。

EPDM 的添加量對PP/EPDM 復合材料沖擊強度的影響如圖3 所示。隨著EPDM 添加量增加，PP/EPDM 復合材料的沖擊強度先上升后下降，接著又急劇上升，最后又有輕微下降的趨勢。純PP 的沖擊強度為61.35 kJ/m2。由此可知，加入EPDM 會使PP/EPDM 復合材料的沖擊強度提高。

圖3 EPDM 的用量與PP/EPDM 共混物沖擊強度的關系

總體來說，當EPDM 的添加量約為30%時，PP/EPDM復合材料的綜合力學性能較高，當后期制備PP/EPDM/碳納米管共混物時，采用EPDM 為30%的最佳配比。

2.2.2 PP/EPDM/碳納米管復合材料的力學性能

碳納米管的用量與PP/EPDM/碳納米管共混物拉伸強度的關系如圖4 所示。隨著碳納米管添加量不斷增加，該三元共混物的拉伸強度先增加后減少，然后又增加再減少。由此可見，當碳納米管的添加量為合適的比例時，該三元共混物的拉伸強度會提高。由圖4 可知，PP/EPDM二元共混物的拉伸強度為10.212 MPa。當碳納米管的添加量為8%時，該共混物拉伸強度最高。

圖4 碳納米管用量與PP/EPDM/碳納米管共混物拉伸強度的關系

碳納米管用量與PP/EPDM/碳納米管共混物沖擊強度的關系如圖5 所示。由圖5 可知，隨著碳納米管添加量的不斷增加，PP/EPDM/碳納米管共混物的沖擊強度先增加后減少，最后趨于穩定。PP/EPDM 二元共混物（碳納米管的添加量為0%）的沖擊強度為33.3 MPa，當碳納米管用量為2%時，該共混物的沖擊強度最高。

圖5 碳納米管用量與PP/EPDM/碳納米管共混物沖擊強度的關系

2.3 PP/EPDM/碳納米管復合材料電性能的影響

導電通道學說認為導電填料加到聚合物后不可能達到真正的多相均勻分布，總有部分帶電粒子因相互接觸而形成鏈狀導電通道，使復合材料可以導電。當復合體系中導電填料的含量增加到某一臨界含量時，體系的電阻率急劇下降，這時導電率-導電填料的含量曲線就會出現一個狹窄的突變區域，在該區域內，導電填料的微小變化都會導致電阻率出現顯著變化，這種現象稱為逾滲現象，這個臨界值就是逾滲值。隨著碳納米管含量增加，復合材料的導電性變化呈現3 個區域，即絕緣區、逾滲區和導電區[9]。

碳納米管的添加量對PP/EPDM/碳納米管共混物表面電阻率的影響如圖6 所示。由圖6 可知，隨著碳納米管添加量增加，該共混物的表面電阻率有所波動。但是，當碳納米管的含量為8%時，該共混物的表面電阻率最小。當碳納米管的添加量小于或等于10%時，該共混物均沒有導電，其原因是采用平板硫化機壓出來的方片質量欠佳。

圖6 碳納米管的用量與PP/EPDM/碳納米管共混物電性能的關系

2.4 PP/EPDM/碳納米管復合材料維卡軟化點分析

維卡軟化點可以反映聚合物的耐熱性能。維卡軟化點溫度越高，說明聚合物耐熱變形的能力越好。

碳納米管的添加量對PP/EPDM/碳納米管共混物維卡軟化點的影響如圖7 所示。由圖7 可知，隨著碳納米管含量不斷增加，PP/EPDM/碳納米管共混物的維卡軟化點先急劇上升，然后有所波動，最后基本趨于穩定。當碳納米管的添加量為2%時，該共混物的維卡軟化點達到最高，隨后就開始下降了，即在此點該共混物的耐熱變形的能力最高。

圖7 碳納米管的用量與PP/EPDM/碳納米管共混物維卡軟化點的關系

3 結語

PP 性能優異，用途廣泛，但是該高分子材料的韌性較差，因此通過EPDM 對其進行增韌改性，制得了PP/EPDM 復合材料。此外，靜電也限制了它的應用范圍，可以采用碳納米管來解決該問題，最終成功制得PP/EPDM/碳納米管復合材料。結果表明，合適的EPDM 添加量可以明顯提高PP/EPDM 復合材料的力學性能。該文以碳納米管作為無機填料制備了PP/EPDM/碳納米管三元共混物，由試驗結果可知，適量添加碳納米管可以顯著提高PP/EPDM/碳納米管三元共混物的力學性能（拉伸強度和沖擊強度）；當碳納米管的添加量為2%時，該三元共混物抗熱變形的能力最強。