PP与镁盐晶须复合材料性能的研究

PP与镁盐晶须复合材料性能的研究

现代塑料加工应用 2005年第17卷第1期MODERNPLASTICSPROCESSINGANDAPPLICATIONS

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PP与镁盐晶须复合材料性能的研究

赵梓年 沈惠玲

(天津科技大学,300222)

摘要:以镁盐晶须增强聚丙烯(PP)复合材料为研究对象,添加马来酸酐接枝聚丙烯(PP g MAH)1与PP g MAH2界面改性剂来改善两者界面粘合强度及提高复合材料的力学性能;探讨了不同加工工艺流程对复合材料性能的影响。结果显示:采用PP g MAH1作界面处理剂的复合物体系其增强效果较好;当PP/PP g MAH1/镁盐晶须的质量比为97/3/30时,复合材料的综合性能最佳。应用扫描电子显微镜(SEM),分别对不同复合材料进行了界面形态的观察,证明与试验结果一致。

关键词: 镁盐晶须

聚丙烯

增强 马来酸酐接枝聚丙烯 界面改性剂

与玻璃纤维相比,无机盐晶须作为填充增强材料尺寸微细(具有较大的长径比,长度仅相当

于玻纤的直径),其加工流动性好,更易于和树脂复合。产品各向同性且外观质量优良,有利于制作形状复杂、尺寸稳定性高、薄壁及表面粗糙度好的精密注射制件,并且对设备和模具的磨损较玻纤小。本试验主要探讨镁盐晶须用量、界面

改性剂马来酸酐接枝聚丙烯(PP g MAH)及其种类变化对聚丙烯(PP)/镁盐晶须复合材料性

能的影响。

收稿日期:2004 08 17。

作者简介:赵梓年,副教授,主要从事高分子材料改性和材料加工技术研究。

2 欧玉春.刚性粒子填充聚合物的增强增韧与界面相结构.高分子材料科学与工程,1998,14(3):12~15

3 冯嘉春,陈鸣才.无机刚性粒子增韧高分子研究进展.中国塑料,2000,14(11):10~15

4 张金柱,汪信,陆路德等.HIPS/TiO2/TAS纳米复合材料的制备及性能.中国塑料,2001,15(1):24~26

5 周大钢,谢鸽成著.塑料老化与防老化技术.北京:中国轻工业出版社,1998.125

STUDYONDISPERSIONANDLIGHTAGINGPROPERTIES

OFHIPS/NANO TIO2

PengHongrui WangZhaobo

1,2

2

ZangZhikun

1,2

(1.OceanUniversityofChina,Qingdao,266003)

(2.QingdaoUniversityofScience&Technology,266042)

ABSTRACT

ThedispersionofTiO2nanoparticles,mechanicalproperties,lightagingpropertiesandlightagingmech anismofHIPS/nano TiO2compositeswerestudied.TheresultsshowthatHIPS/nano TiO2compositeswithex cellentdispersionofTiO2nanoparticlescanbepreparedbytwo stepmeltingcompounding.WhentheweightcontentofTiO2incompositeis1.0%,thecompositespossessthebestmechanicalproperties.Theexistenceofnano TiO2nanoparticlesincompositesimprovesthetoughnessofHIPS.Afteracceleratedlightaging,themechanicalpropertiesofcomposites,especiallytoughness,arehigherthanthoseofpureHIPSobviously.Nano TiO2canimprovethelightagingabilityofHIPS.

Keywords:nano titaniumdioxide;highimpactpolystyrene;composites;lightaging;mechanicalprop erties

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36 现 代 塑 料 加 工 应 用 2005年2月

1 试验部分

1.1 原料及仪器设备 PP,1300,北京燕山石化公司。镁盐晶须,丹东市时代科技开发公司。PP g MAH1,熔体流动速率(MFR)为100g/(10min);PP g MAH2,MFR为8g/(10min);2种PP g MAH的接枝率均为1%,市售。

试验用仪器及设备列于表1。

表1 试验用仪器及设备

仪器设备名称高速混合机橡胶试验密炼机45t压力成型机25t平板硫化机万能制样机万能材料试验机电子扫描显微镜

规格型号GH 10XSM 1/20 80

SL 4525T2HY WDLY 10AXL 30

生产厂家北京塑料机械厂上海轻机模具厂上海第一橡胶机械厂国营青岛化工机械厂河北承德试验机总厂长春材料试验机厂荷兰菲立普公司

2 结果与讨论

2.1 PP g MAH加入量对复合体系性能影响

由表2和表3中的数据可知,在PP/PP g MAH1质量比为97/3,或者PP/PP g MAH2质量比94/6时,复合材料拉伸强度达到最大值,继续提高PP g MAH用量时拉伸强度略有所下降。可见,当PP g MAH的含量少时,存在于界面上的酸酐官能团较少,能与晶须表面上的羟基反应的点不多,两相界面作用区域少,结合力不足,因此拉伸强度不高;随着PP g MAH的用量增加,酸酐官能团数目增多,与晶须表面上的羟基反应点增加,两相界面作用增强,拉伸强度加大;但是再增加PP g MAH用量时由于PP g MAH本身强度较低,体系的拉伸强度增加趋缓。

表2 PP g MAH1用量对PP复合体系性能影响

PP/PP g MAH1质量比

镁盐晶须/质量份*

303030

拉伸强度/MPa39.244.842.9

冲击强度/(kJ m 2)

2.903.063.09

1.2 试样制备

1.2.1 试验采用的配方

A为PP/未经处理镁盐晶须的填充体系;B为PP/PP g MAH1处理镁盐晶须的填充体系;C为PP/PP g MAH2处理镁盐晶须的填充体系。试样以100份PP与PP g MAH为基础。1.2.2 试样制备

(1) 密炼机控温180 ,先把PP或PP/PP g MAH投入密炼机,至混炼熔融完全后,加入晶须,再混炼8~10min,最后出团状料。(2) 压力成型机控温180 ,团状料于压板中预热4~6min后,然后加压至15MPa(表压),样片厚度4mm。然后将片材移置冷压机中冷却定型6min,压力设定为5MPa(表压)。

(3) 按照各种测试标准的要求,在万能制样机上制样。

1.2.3 性能测试

冲击强度按GB1043 79的规范进行测试。拉伸强度按GB1040 79的规范进行测试。热变形温度按GB1634 79的规范进行测试。将片状复合材料试样在液氮中充分冷却后,迅速脆断。将脆断形成的断面修整后,置于真空镀膜机中镀膜,镀银膜后的样品用XL 30型扫描电[1]

98/297/396/4

*相对PP与PP g MAH,PP与PP g MAH为100份,下同。

表3 PP g MAH2用量对PP复合体系性能影响

PP/PP g MAH2质量比

96/494/692/8

镁盐晶须/质量份

303030

拉伸强度/MPa37.843.242.8

冲击强度/(kJ m 2)

3.023.423.45

与PP g MAH1相比:(1)在达到拉伸强度最大性能时,PP g MAH2所需用量较多是因为PP g MAH2相对分子质量大,链段长,易缠结,使链段上的一部分酸酐不能与晶须表面上的羟基反应,所以需要添加更多PP g MAH2以保证反应点的数目;(2)PP g MAH2处理的镁盐晶须复合材料拉伸强度低于PP g MAH1体系。由于PP g MAH2相对分子质量大、粘度大,与PP混炼过程中使晶须在PP中的分散性不如PP/PP g MAH1复合体系,晶须分散不均匀,从而使该复合材料的拉伸强度较低。这一点可由SEM

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赵梓年等.PP与镁盐晶须复合材料性能的研究 37

态结构即两相界面粘结情况得到验证。但PP g MAH2体系冲击强度略高于PP g MAH1

体系。

浸润和紧密接触,有利于晶须在基体树脂中的均匀分散,提高了树脂和填料两相界面的粘结力,形成了趋于完整的粘结面,从而使得材料的拉伸

[2〗\

强度得到改善。

图2 镁盐晶须对PP复合体系拉伸性能的影响

注:A,B,C均为1.21节所述的配方,下同。

由电镜图1中(a),(b),(c)分析可得,图1(a)中有大量裸露镁盐晶须存在且分布不均,界面清晰;图1(b)中几乎看不到裸露的镁盐晶须,说明加入了PP g MAH1使PP基体与镁盐晶须界面粘合强度提高,界面模糊、分布均匀;由图1(c)可见加入了PP g MAH2使PP基体与镁盐晶须界面粘合强度较好,界面较模糊,但还有一定量裸露的晶须存在。

当镁盐晶须用量为30份时体系拉伸强度达到最大值,但到40份时体系拉伸强度下降,由于晶须过多时晶须之间PP熔体减少,晶须之间摩擦加剧造成晶须粉碎使长径比下降,晶须易结团,易从包覆的基体中拔出,对应力的传递和分

[2]

散能力差,造成拉伸强度下降。由电镜图1中(d)分析可见有一定量的裸露粉碎的晶须。图3为镁盐晶须对材料冲击性能的影响,无论是否加入界面处理剂,随镁盐晶须含量增加复合材料的冲击性能都下降优于未经处理的体系。

图1

PP复合体系断面的SEM照片(1000倍)

[2]

。但两种加入界面

改性剂PP g MAH的PP复合体系的冲击强度均

2.2 镁盐晶须对PP复合体系力学性能的影响

从图2可以得出:未经处理镁盐晶须复合材料(A)的拉伸强度没有明显的改善;而采用了不同PP g MAH处理的复合材料其拉伸强度相对

于纯PP都有不同程度的提高。原因是PP g MAH赋予基体树脂一定的极性作用,从而降低

,图3 镁盐晶须对材料冲击性能的影响

2.

PP与镁盐晶须复合材料性能的研究

38 现 代 塑 料 加 工 应 用 2005年2月

PP/PP g MAH1/镁盐晶须体系(镁盐晶须30份)不同加料方式测试了其力学性能,分步加料时,复合材料拉伸强度为44.8MPa,冲击强度

2

为3.06kJ/m;同步加料时,拉伸强度为37.8MPa,冲击强度为2.29kJ/m。与同时加料相比,分步加料制备的复合材料拉伸强度和冲击强度均高,其原因为同时加料时PP为粒状硬度较大,在随后的熔融混合过程中与镁盐晶须产生很大的摩擦和剪切作用,使晶须粉碎、易结团,材料受力时较短的晶须容易从树脂基体的包覆中被拔出,使其达不到应有的增强效果。所以在实际生产中要尽量保持晶须的完整性。从SEM图1的(e)可看出同时加料时晶须因破碎而变短。分步加料即等到PP熔融塑化后再加入晶须。在此次试验中采用密炼机,先加入PP,熔融后再加入晶须,实际生产中可采用带中间加料装置的同向双螺杆挤出机。

2.4 镁盐晶须对复合材料热变形温度影响

对镁盐晶须与PP复合体系热变形温度进行分析,结果表明,随着晶须用量的增加,无论是否加入PP g MAH,复合材料的热变形温度都升高,原因是晶须在复合材料中起类似支撑骨架的作用,并且晶须是刚性粒子,模量很高,不易变形,所以材料的热变形温度升高。

[3]

2

3 结论

a) PP/镁盐/PP g MAH1复合材料的拉伸强度普遍高于PP/镁盐/PP g MAH2复合体系,而冲击强度较低;PP/PP g MAH1/镁盐的比值为97/3/30时,复合材料的综合性能最佳。

b) 随着镁盐晶须用量的增加,该复合体系拉伸强度逐渐升高,冲击强度下降。与同时加料工艺流程相比,采用分步加料工艺流程制备的复合材料力学性能较好。

c) 对不同体系的复合材料通过SEM观察其基体PP与镁盐晶须界面粘结情况,即界面形态和微观结构,验证了测试结果及分析。

d) 随着晶须用量的增加,复合材料的热变形温度升高。

参 考 文 献

1 吴人杰主编.现代分析技术在高聚物中的应用.上海:上海科技出版社,1987.413

2 刘喜军,马文辉.聚丙烯/纤维级Mg(OH)2/PP复合材料研究.中国塑料,2001,15(12):40

3 吕通建,赵宽.钛酸钾晶须(TK)增强PA6的研究.工程塑料应用,1995,23(6):5

STUDYONPROPERTIESOF

COMPOSITESOFPPANDMAGNESIUMSALTWHISKER

ZhaoZinian

ShenHuiling

(TianjinUniversityofScienceandTechnology,300222)

ABSTRACT

Itwasfocusedonthepolypropylenereinforcedwithwhisker.Byaddingdifferentinterfacialmodifiers:PP g MAH1andPP g MAH2,theinterfaceadhesionandmechanicalpropertiesofthecompositeswereim proved.Theeffectsofdifferentblendingprocessesonthepropertiesofthecompositeswerediscussed.TheresultsshowthatthepropertiesofthecompositesaddedwithPP g MAH1interfacemodifierarebetter.WhentheratioofPP/PP g MAH1/whiskeris97/3/30,thecomprehensivepropertiesofthecompositesarethebes.tWiththehelpofscanningelectronicmicroscope(SEM),thesameconclusionisprovedbytheinterfacialstateandmorphologicalstructureofthecomposites.

Keywords:magnesiumsaitwhisker;polypropylene;reinforcemen;tmaleicanhydridegraftpolypropyl ene;interfacemodifier

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