等規(guī)聚丙烯／針狀硅灰石復(fù)合材料性能的研究
摘要：將針狀硅灰石、馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)和等規(guī)聚丙烯(iPP)經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)熔融共混，制備了iPP／硅灰石復(fù)合材料。研究了共混工藝條件、PP-g-MAH和硅灰石用量對(duì)iPP，硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能和熔體質(zhì)量流動(dòng)速率的影響：用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分別觀察了硅灰石共混前后的形貌和iPP／硅灰石復(fù)合材料沖擊試樣斷面的形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硅灰石采用側(cè)喂料和較低的螺桿轉(zhuǎn)速，可以提高iPP，硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能。隨著硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。在PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，iPP/硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能{zh0}。
關(guān)鍵詞：聚丙烯：硅灰石；復(fù)合材料：力學(xué)性能
Study on Properties of IPP/Needle-Iike Wollastonite Composite Material LU Bo, QIAO Zhong-yuan, LI Peng
(School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China) Abstract: IPP/wollastonite composite material was prepared with needle-like wollastonite, PP-g-MAHand iPP blending by co-rotation twin-screw extruder. The effects of blending process conditions, contents ofPP-g-MAH and wollastonite on mechanical properties and melt flow rate of iPP/wollastonite composite werestudied. The features of wollastonite before and after blending and the morphology of the impact fracture fea-tures of iPP/wollastonite composite material were observed with optical microscope and SEM. The resultsshowed that the mechanical properties of iPP/wollastonite composite materials were improved with side feedingof wollastonite and lower screw speed. The properties of composite materials were improved with the increaseof the content of wollastonite. When the content of PP-g-MAH was at l%, wollastonite at 30%, the me-chanical properties of iPP/wollastonite composite materials were the best.
Keywords: PP; Wollastonite; Composite; MechanicaIProperty
怍為五大通周塑料中發(fā)展最快的品種，聚丙烯(PP)具有耐高溫、耐腐蝕、密度小等優(yōu)點(diǎn)，且易于成型加工、價(jià)格便宜，但由于其沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度較低，很大程度上限制了其在工程中的應(yīng)用。
天然硅灰石由于化學(xué)性質(zhì)和熱性能穩(wěn)定，具有無(wú)毒、低吸油性、低吸水性和白度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在建筑陶瓷、涂料、塑料橡膠、冶金和耐火材料等工業(yè)部門。
硅灰石增強(qiáng)聚丙烯是硅灰石在塑料改性的研究方向之一，國(guó)內(nèi)有不少學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究‘1-6)。本文研究了等規(guī)聚丙烯(iPP)／針狀硅灰石復(fù)合材料共混工藝條件及馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）
和硅灰石用量對(duì)iPP／硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并觀察了硅灰石共混前后的形貌和復(fù)合材料沖擊試樣斷面的形貌。
l實(shí)驗(yàn)部分
1.1 主要原料
等規(guī)聚丙烯：T30S，撫順石化分公司：硅灰石：1 250目，市售：PP-g-MAH: SWJ-182，沈陽(yáng)四維高聚物塑膠有限公司：硅烷偶聯(lián)劑：A -151，市售。
1.2設(shè)備及檢測(cè)儀器
雙螺桿擠出機(jī)：TSE-35A /400 -32 -11，南京瑞亞高聚物裝備有限公司：電子{wn}試驗(yàn)機(jī)：RGL-30A，深圳瑞格爾儀器有限公司：數(shù)字沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)：GT-7045-MDL，臺(tái)灣高鐵科技殷份有限公司：光學(xué)顯微鏡：BT-1600，丹東市百特有限公司；掃描電子顯微鏡：S-4000，日本電子。
1.3試樣制備
將針狀硅灰石在100℃的鼓風(fēng)烘箱中干燥4。6，料層厚度不超過(guò)50 mm。將硅灰石、PP-g-MAH和均聚聚丙烯用同向旋轉(zhuǎn)平行雙螺桿擠出機(jī)共混造粒，PP-g-MAH和均聚聚丙烯及抗氧劑和潤(rùn)滑劑混合均勻后經(jīng)主喂料加入，硅灰石分別經(jīng)主喂料或側(cè)喂料加入，雙螺桿擠出機(jī)各區(qū)溫度分別為190。210 0C。
所得顆粒經(jīng)80℃干燥4 h后，用注射機(jī)注射成標(biāo)準(zhǔn)試樣用于性能測(cè)試。
1.4性能測(cè)試
拉伸性能：按GB /T 1040-2006測(cè)試，拉伸速率10 mm/min;彎曲強(qiáng)度：按GB/T 9341-2008測(cè)試速率為2 mm/min;懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度：按GB/T1843-2008測(cè)試，試樣厚度6.4mm：維卡軟化溫度按GB/T 1633-2000測(cè)試：熔體質(zhì)量流動(dòng)速率：按GB/T
3682-2000測(cè)試，測(cè)試溫度230℃，負(fù)荷1.2 kg。 iPP／硅灰石復(fù)合材料經(jīng)馬福爐500℃煅燒4h后，測(cè)定硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并用光學(xué)顯微鏡觀察硅灰石的形貌。
iPP／硅灰石復(fù)合材料沖擊試樣斷面經(jīng)噴金后，做掃描電子顯微鏡觀察斷面形貌。
2結(jié)果與討論
2.1 硅灰石哏料方式對(duì)iPP/硅灰石復(fù)合材料性能的影響
從表1中可以看出，通過(guò)側(cè)喂料加入硅灰石所制備的iPP／硅灰石復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于從主喂料直接加入硅灰石所制備的iPP／硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能。其主要原因是硅灰石從主喂料直接加入比側(cè)喂料加入在擠出機(jī)中所經(jīng)歷的剪切時(shí)間較長(zhǎng)，未塑化的聚丙烯對(duì)硅灰石的剪切作用大，針狀硅灰石結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，對(duì)iPP的增強(qiáng)作用明顯降低，因此采用側(cè)喂料加入硅灰石，對(duì)iPP/硅灰石復(fù)合材料起到了更好的增強(qiáng)作用。
注：1）硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%, PP-g-MAH用量為iPP／硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1qv，螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min。
iPP／硅灰石復(fù)合材料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率變化不大，說(shuō)明喂料方式對(duì)熔體質(zhì)量流動(dòng)速率影響不大。
2.2螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)iPP，硅灰石復(fù)合材料性能的影響
表2螺桿轉(zhuǎn)速對(duì)iPP/硅灰石復(fù)合材料性能的影響
注：1）硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，PP-g-MAH用量為iPP／硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%，采用側(cè)喂料方式加入硅灰石。
從表2中可以看出，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，采用側(cè)喂料加入硅灰石所制各的iPP／磋灰石復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎睦強(qiáng)度大幅度降低，斷裂伸長(zhǎng)率和缺口沖擊強(qiáng)度降低。這表明由于螺桿轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)硅灰石的剪切力作用增強(qiáng)，針狀硅灰石結(jié)構(gòu)破壞大，所以使iPP／硅灰石復(fù)合材料的性能降低。
iPP／硅灰石復(fù)合材料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率變化不大，說(shuō)明螺桿轉(zhuǎn)速增大、剪切作用增強(qiáng)，對(duì)熔體質(zhì)量流動(dòng)速率影響不大。
2.3螺桿轉(zhuǎn)速和喂料方式對(duì)硅灰石形貌的影響 圖1為經(jīng)馬弗爐500℃煅燒4h后，用光學(xué)顯微鏡放大640倍觀察到的硅灰石形貌。可以看出，和硅灰石原料相比，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min并采用側(cè)喂料加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硅灰石時(shí)，硅灰石大部分還保持與原料相近的直徑(2 ~4 ym)，長(zhǎng)徑比比原
料小一些(5—10 ym)：當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速為200 r/min并采用側(cè)喂料或者螺桿轉(zhuǎn)速為100 r/min弗采用主喂料加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的硅灰石時(shí)，雖然長(zhǎng)徑比還保持比較大，但硅灰石的直徑減小到1 Lr,m左右，這證明了在這兩種工藝條件下，硅灰石直徑的減小是
iPP／硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能下降的直接原因。
圖2、圖3分別為PP-g-MAH用量對(duì)iPP／硅灰石(30%質(zhì)量分?jǐn)?shù))復(fù)合材料的力學(xué)性能影響。由圖可以看出，加入PP-g-MAH可以明顯改善iPP／硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能。由于接枝聚丙烯中的馬來(lái)酸酐與硅灰石表面有反應(yīng)增容作用，而接枝聚丙烯中的聚
丙烯與iPP／硅灰石復(fù)合材料中的基體樹脂聚丙烯完全相容，從而改善硅灰石與聚丙烯的界面粘接性能。
當(dāng)PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1010時(shí)，iPP／硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性鈍達(dá)到{zd0}值，拉伸強(qiáng)度為40.4 MPa,彎曲強(qiáng)度為59.1 MPa，缺口沖擊強(qiáng)度為34.8 J/m。
當(dāng)PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.5%和2.0%時(shí)，力學(xué)性能都低一些?？赡苁且?yàn)镻P-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，硅灰石與iPP間形成粘接強(qiáng)度較高的界面層，使材料的力學(xué)性能增加。過(guò)少或過(guò)多的PP一MAH會(huì)在硅灰石與聚丙烯之間形成粘接強(qiáng)度較低的
界面層或局部富集。此時(shí)材料的力學(xué)性能不僅取決于硅灰石/PP-g-lMAH、PP-g-MAH/聚丙烯基體之間的結(jié)合力，而且還受PP-g-MAH內(nèi)聚強(qiáng)度大小的制約，由于聚丙烯在接枝馬來(lái)酸酐過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分降解，其強(qiáng)度要低于聚丙烯，所以PP-g-MAH加入比例越高，
力學(xué)性能降低越明顯。
圖4、圖5、圖6為硅灰石用量對(duì)iPP／硅灰石復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，PP -g-MAH為iPP/硅灰石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%。從圖中可以看出，隨硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，iPP，硅灰石復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度都提高。這是因?yàn)楣杌沂蔷哂幸欢ㄩL(zhǎng)徑比的無(wú)機(jī)礦物，對(duì)聚丙烯可起到增強(qiáng)作用。
圖7a.b分別為未加入PP-g-MAH的iPP／硅灰石復(fù)合材料和加入PP -g-MAH的iPP/硅灰石復(fù)合材料沖擊試樣斷面3 000倍掃描電鏡照片，其中硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，PP-g-MAH為iPP，硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%。
從圖7a中可以看出，未加入PP．g-MAH的iPP/硅灰石復(fù)合材料中，沖擊斷面上抽出的硅灰石較多，抽出部分長(zhǎng)度較大，并且表面棱角清晰，說(shuō)明硅灰石與聚丙烯相容性差，界面粘接差。從圖7b中可以看出，加入PP-g-MAH的iPP，硅灰石復(fù)合材料，沖擊斷面上抽出的硅灰石較少，表面粗糙，且抽出部分長(zhǎng)度較小，說(shuō)明PP-g-MAH使硅灰石與聚丙烯相容性改善，界面粘接好。
3 結(jié)論
1)采用側(cè)喂料和較低的螺桿轉(zhuǎn)速可以提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。
2) PP-g-MAH可以明顯改善硅灰石與聚丙烯界面的粘接，使iPP／硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。
3)隨著硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，iPP／硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能提高。在硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，PP-g-MAH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為40.4 MPa，彎曲強(qiáng)度為59.1 MPa，沖擊強(qiáng)度為34.8 J/m。
