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等規聚丙烯/針狀硅灰石復合材料性能的研究

作者: 馮文林 時間:2022-01-05 11:58:46 閱讀:110

等規聚丙烯/針狀硅灰石復合材料性能的研究


摘要:將針狀硅灰石、馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)和等規聚丙烯(iPP)經雙螺桿擠出機熔融共混,制備了iPP/硅灰石復合材料。研究了共混工藝條件、PP-g-MAH和硅灰石用量對iPP,硅灰石復合材料力學性能和熔體質量流動速率的影響:用光學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/硅灰石復合材料沖擊試樣斷面的形貌。實驗結果表明:硅灰石采用側喂料和較低的螺桿轉速,可以提高iPP,硅灰石復合材料力學性能。隨著硅灰石質量分數的增加,復合材料的力學性能提高。在PP-g-MAH質量分數為1%,硅灰石質量分數為30%時,iPP/硅灰石復合材料力學性能最好。

關鍵詞:聚丙烯:硅灰石;復合材料:力學性能

  

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展最快的品種,聚丙烯(PP)具有耐高溫、耐腐蝕、密度小等優點,且易于成型加工、價格便宜,但由于其沖擊強度和拉伸強度較低,很大程度上限制了其在工程中的應用。

天然硅灰石由于化學性質和熱性能穩定,具有無毒、低吸油性、低吸水性和白度高等優點,被廣泛應用在建筑陶瓷、涂料、塑料橡膠、冶金和耐火材料等工業部門。

硅灰石增強聚丙烯是硅灰石在塑料改性的研究方向之一,國內有不少學者在這方面進行了研究‘1-6)。本文研究了等規聚丙烯(iPP)/針狀硅灰石復合材料共混工藝條件及馬來酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)

和硅灰石用量對iPP/硅灰石復合材料力學性能的影響,并觀察了硅灰石共混前后的形貌和復合材料沖擊試樣斷面的形貌。

l實驗部分

1.1  主要原料

等規聚丙烯:T30S,撫順石化分公司:硅灰石:1 250目,市售:PP-g-MAH: SWJ-182,沈陽四維高聚物塑膠有限公司:硅烷偶聯劑:A -151,市售。

1.2設備及檢測儀器

雙螺桿擠出機:TSE-35A /400 -32 -11,南京瑞亞高聚物裝備有限公司:電子萬能試驗機:RGL-30A,深圳瑞格爾儀器有限公司:數字沖擊實驗機:GT-7045-MDL,臺灣高鐵科技殷份有限公司:光學顯微鏡: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℃的鼓風烘箱中干燥4。6,料層厚度不超過50 mm。將硅灰石、PP-g-MAH和均聚聚丙烯用同向旋轉平行雙螺桿擠出機共混造粒,PP-g-MAH和均聚聚丙烯及抗氧劑和潤滑劑混合均勻后經主喂料加入,硅灰石分別經主喂料或側喂料加入,雙螺桿擠出機各區溫度分別為190。210 0C。

所得顆粒經80℃干燥4 h后,用注射機注射成標準試樣用于性能測試。

1.4性能測試

拉伸性能:按GB /T  1040-2006測試,拉伸速率10 mm/min;彎曲強度:按GB/T 9341-2008測試速率為2 mm/min;懸臂梁缺口沖擊強度:按GB/T1843-2008測試,試樣厚度6.4mm:維卡軟化溫度按GB/T 1633-2000測試:熔體質量流動速率:按GB/T

3682-2000測試,測試溫度230℃,負荷1.2 kg。 iPP/硅灰石復合材料經馬福爐500℃煅燒4h后,測定硅灰石質量分數,并用光學顯微鏡觀察硅灰石的形貌。

iPP/硅灰石復合材料沖擊試樣斷面經噴金后,做掃描電子顯微鏡觀察斷面形貌。

2結果與討論

2.1  硅灰石哏料方式對iPP/硅灰石復合材料性能的影響

通過側喂料加入硅灰石所制備的iPP/硅灰石復合材料的綜合性能優于從主喂料直接加入硅灰石所制備的iPP/硅灰石復合材料的力學性能。其主要原因是硅灰石從主喂料直接加入比側喂料加入在擠出機中所經歷的剪切時間較長,未塑化的聚丙烯對硅灰石的剪切作用大,針狀硅灰石結構破壞嚴重,對iPP的增強作用明顯降低,因此采用側喂料加入硅灰石,對iPP/硅灰石復合材料起到了更好的增強作用。

注:1)硅灰石質量分數為30%, PP-g-MAH用量為iPP/硅灰石質量分數的1qv,螺桿轉速為100 r/min。

iPP/硅灰石復合材料熔體質量流動速率變化不大,說明喂料方式對熔體質量流動速率影響不大。

2.2螺桿轉速對iPP,硅灰石復合材料性能的影響

螺桿轉速對iPP/硅灰石復合材料性能的影響

  

注:1)硅灰石質量分數為30%,PP-g-MAH用量為iPP/硅灰石質量分數的1%,采用側喂料方式加入硅灰石。

隨著螺桿轉速的提高,采用側喂料加入硅灰石所制各的iPP/磋灰石復合材料拉伸強度和彎睦強度大幅度降低,斷裂伸長率和缺口沖擊強度降低。這表明由于螺桿轉速的提高,對硅灰石的剪切力作用增強,針狀硅灰石結構破壞大,所以使iPP/硅灰石復合材料的性能降低。

iPP/硅灰石復合材料熔體質量流動速率變化不大,說明螺桿轉速增大、剪切作用增強,對熔體質量流動速率影響不大。

2.3螺桿轉速和喂料方式對硅灰石形貌的影響    圖1為經馬弗爐500℃煅燒4h后,用光學顯微鏡放大640倍觀察到的硅灰石形貌??梢钥闯?,和硅灰石原料相比,當螺桿轉速為100 r/min并采用側喂料加入質量分數為30%的硅灰石時,硅灰石大部分還保持與原料相近的直徑(2 ~4 ym),長徑比比原

料小一些(5—10 ym):當螺桿轉速為200 r/min并采用側喂料或者螺桿轉速為100 r/min弗采用主喂料加入質量分數為30%的硅灰石時,雖然長徑比還保持比較大,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/硅灰石復合材料力學性能下降的直接原因。

PP-g-MAH用量對iPP/硅灰石(30%質量分數)復合材料的力學性能影響。由圖可以看出,加入PP-g-MAH可以明顯改善iPP/硅灰石復合材料的力學性能。由于接枝聚丙烯中的馬來酸酐與硅灰石表面有反應增容作用,而接枝聚丙烯中的聚

丙烯與iPP/硅灰石復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PP-g-MAH質量分數為1010時,iPP/硅灰石復合材料的力學性鈍達到最大值,拉伸強度為40.4 MPa,彎曲強度為59.1 MPa,缺口沖擊強度為34.8 J/m。

當PP-g-MAH質量分數為0.5%、1.5%和2.0%時,力學性能都低一些??赡苁且驗镻P-g-MAH質量分數為1%時,硅灰石與iPP間形成粘接強度較高的界面層,使材料的力學性能增加。過少或過多的PP一MAH會在硅灰石與聚丙烯之間形成粘接強度較低的

界面層或局部富集。此時材料的力學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合力,而且還受PP-g-MAH內聚強度大小的制約,由于聚丙烯在接枝馬來酸酐過程中會發生部分降解,其強度要低于聚丙烯,所以PP-g-MAH加入比例越高,

力學性能降低越明顯。

圖4、圖5、圖6為硅灰石用量對iPP/硅灰石復合材料力學性能的影響,PP -g-MAH為iPP/硅灰石的質量分數1%。從圖中可以看出,隨硅灰石質量分數的增加,iPP,硅灰石復合材料的拉伸強度、彎曲強度和缺口沖擊強度都提高。這是因為硅灰石是具有一定長徑比的無機礦物,對聚丙烯可起到增強作用。

圖7a.b分別為未加入PP-g-MAH的iPP/硅灰石復合材料和加入PP -g-MAH的iPP/硅灰石復合材料沖擊試樣斷面3 000倍掃描電鏡照片,其中硅灰石質量分數為30%,PP-g-MAH為iPP,硅灰石質量分數的1%。

 從圖7a中可以看出,未加入PP.g-MAH的iPP/硅灰石復合材料中,沖擊斷面上抽出的硅灰石較多,抽出部分長度較大,并且表面棱角清晰,說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,且抽出部分長度較小,說明PP-g-MAH使硅灰石與聚丙烯相容性改善,界面粘接好。

3  結論

1)采用側喂料和較低的螺桿轉速可以提高復合材料的力學性能。

2) PP-g-MAH可以明顯改善硅灰石與聚丙烯界面的粘接,使iPP/硅灰石復合材料的力學性能提高。

3)隨著硅灰石質量分數的增加,iPP/硅灰石復合材料的力學性能提高。在硅灰石質量分數為30%,PP-g-MAH質量分數為1%時,復合材料的拉伸強度為40.4 MPa,彎曲強度為59.1 MPa,沖擊強度為34.8 J/m。


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