当高韧性高强度聚丙烯复合材料的研究

高韧性高强度聚丙烯复合材料的研究

聚丙烯( PP)具有优良的力学性能、耐化学腐蚀性和易加工成型等特点,但PP也存在冲击韧性低、低温易脆裂、耐候性差等缺点[ 1～4 ] 。因此对PP增强增韧是国内外十分重视的研究领域 。

笔者分别采用马来酸酐接枝聚丙烯( PP-g-MAH)和马来酸酐、苯乙烯接枝聚丙烯(PP-g-MAH-g-St)作为增容剂,并将玻璃纤维( GF)和聚烯烃弹性体( POE)作为增强材料和增韧材料对PP进行综合改性,研究了GF和2种增容剂对复合材料力学性能的影响。

一、实验部分

1、主要原材料

PP：粒料, 09535,上海赛科石油化工有限公司；

PP：粉料, YILONG,中国石油克拉玛依石化公司；

GF：ER13 - 2000 - 950,巨石集团有限公司；

POE：8180，美国杜邦公司；

MAH:分析纯；上海凌峰化学试剂有限公司；

苯乙烯( St) ：上海凌峰化学试剂有限公司；

过氧化二异丙苯(DCP) :化学纯,上海凌峰化学试剂有限公司。

2、主要设备与仪器

双螺杆混炼挤出机：TE - 35型,南京科亚实业有限公司；

注塑机：SZ - 160 /80NB型,宁波塑料机械厂；

微机控制电子万能试验机：CMT5014 型，深圳新三思计量技术有限公司；

冲击试验机： XJ - 300A型,吴忠试验机厂；

扫描电子显微镜( SEM) : Hitachi S - 4700型,日本日立公司。

3、试样制备

(1)增容剂制备 预先将一定量的PP、MAH、DCP或适量的St及其它助剂混合均匀，用双螺杆混炼挤出机进行熔融挤出接枝，控制挤出机螺杆温度范围为150 ～ 180℃, 分别制得增容剂Ⅰ ( PP-g-MAH)和增容剂Ⅱ( PP-g-MAH-g-St) 。

(2)复合材料试样制备 ,按一定配比将PP、GF、POE及增容剂PP2g2MAH 或PP2g2MAH2g2St等用双螺杆混炼挤出机进行熔融挤出造粒。在挤出造粒过程中将GF由第二加料口加入,控制双螺杆各区温度分别为：Ⅰ区160℃、Ⅱ区165℃、Ⅲ区175℃、Ⅳ区180℃、机头185℃,然后用注塑机注射成型,分别制得由2种增容剂增容的标准试样。

4、性能测试

拉伸性能按GB /T 1040 - 1992测试,拉伸速率为50 mm /min，测试温度为25℃；弯曲性能按GB /T 9341 - 2000测试，下压速率为2 mm /min，测试温度为25℃； 悬臂梁缺口冲击强度按GB /T 1843 - 1996测试,测试温度为25℃；将冲击试样断口表面喷金，用SEM观察断口形貌并拍照。

二、结果与讨论

1、GF含量对PP /POE /GF体系力学性能的影响

在固定POE的质量分数为6%的条件下，GF含量对PP /POE /GF体系力学性能的影响。随着GF含量的增加，材料的拉伸强激起干事创业的内生动能度呈先增加后降低的趋势，在GF的质量分数约为15%时拉伸强度达到最大值,而后逐渐降低。这可能是由于GF含量过多，复合材料中纤维体积过大，无法被基体充分浸润，界面粘接较差，加之空隙增加，在外力作用下界面很容易脱粘，从而造成拉伸强度的降低。材料的断裂伸长率随着体系中GF含量的增加而呈下降趋势，这主要是由毕竟同为车企于随着GF含量的增加，PP分子链间的相对滑动更加困难，从而使体系的整体刚性大幅提高所致。随着GF含量的增加,材料的缺口冲击强度呈先下降后增加的趋势，在GF的质量分数约为35%时POE与GF产生了较好的协同效果,显示出较高的缺口冲击强度。

2、增容剂含量对PP /POE /GF体系力学性能的影响

增容剂含量对体系拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲弹性模量的影响。由图5～图8可以看出,增容剂的加入对PP /POE /GF复合材而使试样的1端相对另外一端产生了转动料的力学性能产生了很大的影响。

2种增容剂均能不同程度地提高PP / POE / GF复合材料的拉伸性能和弯曲性能,即材料的强度和刚性得到提高。这是由于接枝到PP上的MAH基团与GF表面的羟基发生了界面化学反应,实现了GF与PP基体间的化学键合,使界面粘结强度增大,提高了界面应力传递和纤维承载效率,赋予吸水率极低材料较好的强度 。

增容剂Ⅱ对体系的增容效果明显优于增容剂Ⅰ,在增容剂Ⅱ的质量分数为8%时材料的力学性能最优,拉伸强度达到72. 61 MPa,缺口冲击强度达到48. 53 J /m,弯曲强度和弯曲弹性模量分别达到67. 02 MPa和2. 25 GPa,已接近常用工程塑料的性能。而在增容剂的质量分数超过8%之后它对复合材料力学性能的影响变小。PP2g2MAH2g2St的增容效果之所以远低于PP2g2MAH 的增容效果,这是因为在通常的熔融接枝PP体系中,由于PP在自由基作用下降解严重,基体的力学性能降低,接枝率一般较低;而如果在MAH熔融接枝PP的体系中添加St时,它可作为共单体抑制或减弱PP的降解,同时提高接枝单体的接枝率,这种加入共单体的熔融接枝体系实际上是多种单体共同接枝的体系[ 9 ] ,所引起的共轭效应使St与PP大分子自由基的反应活性增大(而MAH相对较小) ,故St首先进攻PP大分子自由基形成稳定的PP - St大分子自由基,然后再与MAH或St反应,此反应速率远超过了MAH与PP大分子自由基的反应速率,所以提高了体系的力学性能[ 10 ] 。

3、PP /POE /GF复合材料试样的断口形貌

出有无加入增容剂的PP /POE /GF复合材料试样冲击断面的SEM照片。

a—PP /POE /GF; b—PP /POE /GF /增容剂Ⅰ;c—PP /POE /GF /增容剂Ⅱ

未加入增容剂的试样在发生断裂破坏时,断面上遍布孔洞,大量的GF从基体中拔出, GF表面非常光滑,几乎没有附着树脂基体,说明GF与PP基体的粘结性较差;而在图9b中,随着增容剂Ⅰ的加入, GF与PP基体的粘结情况得到一定改善,孔洞数量大为减少, GF表面被一定量的树脂包覆;图9c反映了加入增容剂Ⅱ后试样的断面形态,其断面粗糙, GF完全被树脂包覆,说明GF与PP基体发生了强有力的界面结合,形成了良好的界面,从而使应力能够通过界面有效地传递,并使材料的力学性能明显提高。

三、结论

(1) GF对PP /POE /GF体系具有明显的增强作用,可以较好地改善体系的拉伸性能和冲击性能。

(2)三元接枝增容剂PP-g-MAH-g-St的增容效果远优于二元接枝增容剂PP2g2MAH,在PP-g-MAH-g-St的质量分数为8%时增容效果最佳,所制PP /POE /GF复合材料的综合性能已接近常用工程塑料的性能。

(3)加入PP-g-MAH-g-St的PP /POE /GF复合材料试样断面粗糙, GF完全被树脂包覆, GF与PP基体发生了强有力的界面结合。

转载自：《工程塑料应用》