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等规聚丙烯/针状硅灰石复合材料性能的研究


摘要:将针状硅灰石、马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)和等规聚丙烯(iPP)经双螺杆挤出机熔融共混,制备了iPP/硅灰石复合材料。研究了共混工艺条件、PP-g-MAH和硅灰石用量对iPP,硅灰石复合材料力学性能和熔体质量流动速率的影响:用光学显微镜和扫描电子显微镜分别观察了硅灰石共混前后的形貌和iPP/硅灰石复合材料冲击试样断面的形貌。实验结果表明:硅灰石采用侧喂料和较低的螺杆转速,可以提高iPP,硅灰石复合材料力学性能。随着硅灰石质量分数的增加,复合材料的力学性能提高。在PP-g-MAH质量分数为1%,硅灰石质量分数为30%时,iPP/硅灰石复合材料力学性能最好。

关键词:聚丙烯:硅灰石;复合材料:力学性能

  

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

    

怍为五大通周塑料中发展最快的品种,聚丙烯(PP)具有耐高温、耐腐蚀、密度小等优点,且易于成型加工、价格便宜,但由于其冲击强度和拉伸强度较低,很大程度上限制了其在工程中的应用。

天然硅灰石由于化学性质和热性能稳定,具有无毒、低吸油性、低吸水性和白度高等优点,被广泛应用在建筑陶瓷、涂料、塑料橡胶、冶金和耐火材料等工业部门。

硅灰石增强聚丙烯是硅灰石在塑料改性的研究方向之一,国内有不少学者在这方面进行了研究‘1-6)。本文研究了等规聚丙烯(iPP)/针状硅灰石复合材料共混工艺条件及马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)

和硅灰石用量对iPP/硅灰石复合材料力学性能的影响,并观察了硅灰石共混前后的形貌和复合材料冲击试样断面的形貌。

l实验部分

1.1  主要原料

等规聚丙烯:T30S,抚顺石化分公司:硅灰石:1 250目,市售:PP-g-MAH: SWJ-182,沈阳四维高聚物塑胶有限公司:硅烷偶联剂:A -151,市售。

1.2设备及检测仪器

双螺杆挤出机:TSE-35A /400 -32 -11,南京瑞亚高聚物装备有限公司:电子万能试验机:RGL-30A,深圳瑞格尔仪器有限公司:数字冲击实验机:GT-7045-MDL,台湾高铁科技殷份有限公司:光学显微镜:BT-1600,丹东市百特有限公司;扫描电子显微镜:S-4000,日本电子。

1.3试样制备

将针状硅灰石在100℃的鼓风烘箱中干燥4。6,料层厚度不超过50 mm。将硅灰石、PP-g-MAH和均聚聚丙烯用同向旋转平行双螺杆挤出机共混造粒,PP-g-MAH和均聚聚丙烯及抗氧剂和润滑剂混合均匀后经主喂料加入,硅灰石分别经主喂料或侧喂料加入,双螺杆挤出机各区温度分别为190。210 0C。

所得颗粒经80℃干燥4 h后,用注射机注射成标准试样用于性能测试。

1.4性能测试

拉伸性能:按GB /T  1040-2006测试,拉伸速率10 mm/min;弯曲强度:按GB/T 9341-2008测试速率为2 mm/min;悬臂梁缺口冲击强度:按GB/T1843-2008测试,试样厚度6.4mm:维卡软化温度按GB/T 1633-2000测试:熔体质量流动速率:按GB/T

3682-2000测试,测试温度230℃,负荷1.2 kg。 iPP/硅灰石复合材料经马福炉500℃煅烧4h后,测定硅灰石质量分数,并用光学显微镜观察硅灰石的形貌。

iPP/硅灰石复合材料冲击试样断面经喷金后,做扫描电子显微镜观察断面形貌。

2结果与讨论

2.1  硅灰石哏料方式对iPP/硅灰石复合材料性能的影响

通过侧喂料加入硅灰石所制备的iPP/硅灰石复合材料的综合性能优于从主喂料直接加入硅灰石所制备的iPP/硅灰石复合材料的力学性能。其主要原因是硅灰石从主喂料直接加入比侧喂料加入在挤出机中所经历的剪切时间较长,未塑化的聚丙烯对硅灰石的剪切作用大,针状硅灰石结构破坏严重,对iPP的增强作用明显降低,因此采用侧喂料加入硅灰石,对iPP/硅灰石复合材料起到了更好的增强作用。

注:1)硅灰石质量分数为30%, PP-g-MAH用量为iPP/硅灰石质量分数的1qv,螺杆转速为100 r/min。

iPP/硅灰石复合材料熔体质量流动速率变化不大,说明喂料方式对熔体质量流动速率影响不大。

2.2螺杆转速对iPP,硅灰石复合材料性能的影响

螺杆转速对iPP/硅灰石复合材料性能的影响

  

注:1)硅灰石质量分数为30%,PP-g-MAH用量为iPP/硅灰石质量分数的1%,采用侧喂料方式加入硅灰石。

随着螺杆转速的提高,采用侧喂料加入硅灰石所制各的iPP/磋灰石复合材料拉伸强度和弯睦强度大幅度降低,断裂伸长率和缺口冲击强度降低。这表明由于螺杆转速的提高,对硅灰石的剪切力作用增强,针状硅灰石结构破坏大,所以使iPP/硅灰石复合材料的性能降低。

iPP/硅灰石复合材料熔体质量流动速率变化不大,说明螺杆转速增大、剪切作用增强,对熔体质量流动速率影响不大。

2.3螺杆转速和喂料方式对硅灰石形貌的影响    图1为经马弗炉500℃煅烧4h后,用光学显微镜放大640倍观察到的硅灰石形貌。可以看出,和硅灰石原料相比,当螺杆转速为100 r/min并采用侧喂料加入质量分数为30%的硅灰石时,硅灰石大部分还保持与原料相近的直径(2 ~4 ym),长径比比原

料小一些(5—10 ym):当螺杆转速为200 r/min并采用侧喂料或者螺杆转速为100 r/min弗采用主喂料加入质量分数为30%的硅灰石时,虽然长径比还保持比较大,但硅灰石的直径减小到1 Lr,m左右,这证明了在这两种工艺条件下,硅灰石直径的减小是

iPP/硅灰石复合材料力学性能下降的直接原因。

PP-g-MAH用量对iPP/硅灰石(30%质量分数)复合材料的力学性能影响。由图可以看出,加入PP-g-MAH可以明显改善iPP/硅灰石复合材料的力学性能。由于接枝聚丙烯中的马来酸酐与硅灰石表面有反应增容作用,而接枝聚丙烯中的聚

丙烯与iPP/硅灰石复合材料中的基体树脂聚丙烯完全相容,从而改善硅灰石与聚丙烯的界面粘接性能。

当PP-g-MAH质量分数为1010时,iPP/硅灰石复合材料的力学性钝达到最大值,拉伸强度为40.4 MPa,弯曲强度为59.1 MPa,缺口冲击强度为34.8 J/m。

当PP-g-MAH质量分数为0.5%、1.5%和2.0%时,力学性能都低一些。可能是因为PP-g-MAH质量分数为1%时,硅灰石与iPP间形成粘接强度较高的界面层,使材料的力学性能增加。过少或过多的PP一MAH会在硅灰石与聚丙烯之间形成粘接强度较低的

界面层或局部富集。此时材料的力学性能不仅取决于硅灰石/PP-g-lMAH、PP-g-MAH/聚丙烯基体之间的结合力,而且还受PP-g-MAH内聚强度大小的制约,由于聚丙烯在接枝马来酸酐过程中会发生部分降解,其强度要低于聚丙烯,所以PP-g-MAH加入比例越高,

力学性能降低越明显。

图4、图5、图6为硅灰石用量对iPP/硅灰石复合材料力学性能的影响,PP -g-MAH为iPP/硅灰石的质量分数1%。从图中可以看出,随硅灰石质量分数的增加,iPP,硅灰石复合材料的拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度都提高。这是因为硅灰石是具有一定长径比的无机矿物,对聚丙烯可起到增强作用。

图7a.b分别为未加入PP-g-MAH的iPP/硅灰石复合材料和加入PP -g-MAH的iPP/硅灰石复合材料冲击试样断面3 000倍扫描电镜照片,其中硅灰石质量分数为30%,PP-g-MAH为iPP,硅灰石质量分数的1%。

 从图7a中可以看出,未加入PP.g-MAH的iPP/硅灰石复合材料中,冲击断面上抽出的硅灰石较多,抽出部分长度较大,并且表面棱角清晰,说明硅灰石与聚丙烯相容性差,界面粘接差。从图7b中可以看出,加入PP-g-MAH的iPP,硅灰石复合材料,冲击断面上抽出的硅灰石较少,表面粗糙,且抽出部分长度较小,说明PP-g-MAH使硅灰石与聚丙烯相容性改善,界面粘接好。

3  结论

1)采用侧喂料和较低的螺杆转速可以提高复合材料的力学性能。

2) PP-g-MAH可以明显改善硅灰石与聚丙烯界面的粘接,使iPP/硅灰石复合材料的力学性能提高。

3)随着硅灰石质量分数的增加,iPP/硅灰石复合材料的力学性能提高。在硅灰石质量分数为30%,PP-g-MAH质量分数为1%时,复合材料的拉伸强度为40.4 MPa,弯曲强度为59.1 MPa,冲击强度为34.8 J/m。



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