PP／硅灰石复合材料力学性能的研究 Study on Mechanical Properties of P/Wollastonite Composites
 
聚丙烯(PP)是五大通用塑料之一，具有密度低、力学性能好、易成型加工以及耐腐蚀等优点，广泛应用于各个领域。但PPZui大缺点是性脆、冲击强度低，特另ll是低温冲击性能较差，而且尺寸精度低、刚性不足、耐候性差。为了进一步改善PP性能，国内外学者对其进行了大量改性研究，其中以针状硅灰石代替玻璃纤维作为增强材料填充PP近年来也得到快速发展。天然硅灰石电绝缘性和化学稳定性好，吸油率较低且价格低廉（为玻璃纤维的十fen之一），当其添加到高聚物中时，可以明Xian改善材料的尺寸稳定性，防止热塌陷，提高材料的拉伸强度、拉伸模量、热变形温度和耐蠕变性能，减小材料的收缩率和翘曲变形。本研究着重考察了硅灰石表面处理以及硅灰石用量对PPr睦灰石复合材料力学性能的影响。
l实验部分
1.1原料
  PP，密度0.90∥crn3，熔体流动速率15 g/lOmin，台淹化学纤维股份有限公司；    硅灰石，200目，长径比l6，江西省新余市思远矿业有限公司；
1.2仪器与设备
高速混合机，GH-10，北京塑料机械厂；电热真空干燥箱，ZK0258B，上海实验仪器有限公司；
同向双螺杆挤出机，TES-20/600-4-42，南京瑞亚斯特高聚物装备有限公司；
    注射机，JPH50，广东鸿利机器有限公司，微机控制电子Wan能拉力试验机，MT4140，深圳市薪三思材料检Ce有限公司；
    液晶式塑料锤冲击试验机，PIT501B-2，深圳万测试验设备有限公司；
    扫描电子显微镜(SEM)，S-3700，日本日立公司。
1.3硅灰石的表面处理及样品制备
1.3.1硅灰石表面处理
    硅灰石具有亲水疏油性，与PP材料的相容性差。对硅灰石粉体进行表面处理可改善其在聚合物体系中的分散性，从而提高复合材料的相关性能。粉体表面处理方法主要分为干法和湿法两种，本研究采取了利用高速混合机进行表面处理的千法工艺：偶联剂选用甜菜碱CAB，改性温度为50～60'C，偶联剂用量为l%,处理时间为10 min。
1.3.2样品制备
    将PP与改性（或未改性）硅灰石按一定配比(硅灰石用量分别为10、20、30和40 phr)于高速混合机中混合后，加入到双螺杆挤出机中进行挤出造粒，挤出温度l80～215℃，螺杆转速100 r/min。所得粒料经干燥后利用注射机注塑成标准拉伸样条，机筒温度l80～210℃，模具温度40-50℃。
1.4性能测试
    拉伸性能按GB/T 1040-1992测试，拉伸逮率50 mm/min。
    悬臂梁冲击强度按GB/T 1843-2008测定，V形缺口。
    SEM测试：采用扫描电子显微镜观察试样冲击断面的微观形貌。
2结果与讨论
2.1硅灰石用量以及表面处理对PP/硅灰石
复合材料拉伸性能的影响
图l为不同硅灰石用量的PP/硅灰石复合材料在拉伸过程中应力与应变之间的关系。从图l可以看出，在应力达到Zui大值之前，应力随着应变的增加线性提高，这是由于此时材料处在弹性形变阶段。纯PP试样在应力达到Zui大值后开始出现缩颈，应力迅速减小；当应力减小到菜一恒定值时，试样出现较长的颈缩带，应力不再随应变的变化而变化；在经历较长的颈缩后试样Zui终断裂，断裂过程Fei常迅速。与纯PP相比，PP/硅灰石复合材料试样没有出现明Xian的缩颈现象，其应力发白现象亦显著减弱，且塑性变形带显现较浅的灰色；当应力达到Zui大值后迅速下降，且试样迅速断裂。这是由于硅灰石的添加对PP基体有增强作用，并且限制了基体的塑性变形。
  
    图2为表面处理后的硅灰石和未处理硅灰石对PP/硅灰石复合材料拉伸模量的影。从图2可以看出，随着硅灰石用量的增加，经表面处理的硅灰石填充体系和未处理体系的拉伸模量均有所增大。这是由于硅灰石本身是一种刚性粒子，其模量较高，根据混合法则，随着硅灰石用量增加，复合材料的刚性上升；另外，由于硅灰石刚性粒子的添加使得PP基体树脂分子链的相对运动受到限制，导致复合材料刚性增加。从图2还可以看出，经表面处理的硅灰石填充体系的模量高于未处理体系。这是因为复合材料的模量一定程度上还取决于填料粒子在基体中的分散性和均匀性，由于经表面处理的硅灰石能在PP基体中得到更好的分散，因而其填充体系的拉伸模量相对未处理体系有所提高。
图3为硅灰石用量以及表面处理对PP/
灰石复合材料拉伸强度的影响。从图3可以看出，随着硅灰石（经表面处理或未处理）用量的增加，PP/硅灰石复合材料的拉伸强度先升后降。另外经偶联剂表面处理的硅灰石填充体系的拉伸强度明Xian高于未处理体系，且当其用量为10 phr时，PP填充复合材料的拉伸强度Zui佳(35 MPa)，比纯PP拉伸强度提高了17%。这可能是由于偶联剂CAB与硅灰石之间发生了化学反应或化学吸附，并在硅灰石与PP之间起到“桥梁”作用，使得硅灰石与PP之间形成完整的界面，并增加了基体和填料之间界面层的厚度；而硅灰石与CAB的化学反应使得二者之间更
容易形成稳定的界面，从而增强界面作用力。当材料被拉伸时，基体对粒子的作用在两极表现为拉应力，在赤道位置表现为压应力，由于力的相互作用，在粒子赤道附近的PP基体也受到来自粒子的反作用力，三个轴向应力的协同作用有利于基体的屈服，而屈服则需要消耗大量能量，因此PP/硅灰石复
合材籽表现出高韧性‘6]；拉伸还可使材料产生细微的银纹，由于硅灰石的添加使得复合材料界面数量大大增加，因而银纹通过界面所需要消耗的能量显著增加，其外在表现就是复合材料拉伸强度明Xian提高。 
    从图3还可以看出，当硅灰石用量大干10 phr时，随着硅灰石用量的增加，复合材料的拉伸强度迅速下降。这是因为硅灰石具有一定的长径比，当其用量较低时对PP基体具有一定的增强作用，但随着硅灰石用量的增加，成型过程中粒子之间因挤压碰撞而使部分粒子的针状形态被破坏，从而造成体
系中硅灰石粒子的长径比减小，进而降Di了复合材料的拉伸强度。
    图4为硅灰石用量以及表面处理对PPnit灰石复合材料断裂强度的影响。从图4可以看出，复合材料的断裂强度随着硅灰石用量的增加而先升后降。其中经表面处理的硅灰石填充体系的断裂强度相对优于未处理体系，当其用量为10 phr睛，PP填充复合材料的断裂强度Zui大(30.6 MPa)，比纯PP提高了63%。这是因为硅灰石用量较低时，其在PP基体中的分散效Guo较好，且与PP能够较好地结合起来。而当硅灰石用量较高时，硅灰石容易发生团聚现象川，使其与PP基体结合时容易产生缺陷，从而导致复合材料断裂强度下降。  
    图5为硅灰石用量以及表面处理对PP／硅灰石复合材料断裂伸长率的影响。从图5可以看出，当硅灰石用量较小时，随着硅灰石用量的增加复合材料的断裂伸长率减小，而当其用量超过10 pMht，复合材料的断裂伸长率变化不大。这是因为拉伸是塑料（或填充改性塑料）在相当大应变情况下的拉伸应力，应变行为，在适当的拉伸条件下，纯基体树脂在各种取向单元充fen取向后才断裂，因而其断裂伸长率较大。而硅灰石的添加则使基体树脂分子链的相对运动受到了限制，从而大大降Di了材料的断裂伸长率。表面处理对PP／硅
灰石复合材料断裂伸长率的影响不大，这是因为对硅灰石进行表面处理虽增强了硅灰石与PP的界面结合力，但x-tPP基体分子链的相对运动无明Xian改善作用。
 
2.2硅灰石用量以及表面处理对PP／硅灰右
复合材料冲击性能的影响
    图6为硅灰石用量以及表面处理对PP/硅灰石复合材料缺口冲击强度的影响。从图6可以看出，随着硅灰石用量的增加，复合材料的冲击强度逐渐增大。这是由于PP属于准韧性材料，其缺口Min感性显著、缺口冲击强度较低，而硅灰石的添加则大大降Di了复合材料的缺口Min感性，从而提高了复合材料的缺口冲击强度；同时在冲击过程中，针状硅灰石容易在复合材料中产生细微的银纹，而硅灰石用量的增加使得界面数量大大增加，因而银纹通过界面所需要消耗的能量就越多，其外在表现为复合材料冲击强度的提高。另外，当未处理硅灰石用量超过30 phr时，复合体系的冲击强度有所下降。这是由于当硅灰石用量过大时，硅灰石出现了团聚现象，如未处理硅灰石填兖PP复合材料的SEM图(图7)所示。从图6中还可以看出，经表面改性处理的硅灰石填充体系的冲击性能优予未处理体系，其中当改性硅灰石用量为40 phr时，复合材料的冲击强度达到Zui大傻(2.59 MPa)，比纯PP提高了29%。这是因为，经CAB处理的硅灰石与PP发生了化学反应，使得硅灰石与PP之间形成了更加稳定的完整界面（如表面处理前后硅灰石填充PP复合材料的SEM图（图8）所示），从而增强了界面作用力，进而提高了材料的冲击性能。  
3结论
  (l)随着硅灰石用量的增加，复合材料的拉伸强度和断裂强度均呈先井后降趋势；当硅灰石用量不超过10 phr时，硅灰石对PP有明Xian的增强作用。
    (2)当硅灰石经甜菜碱CAB表面处理后，PP／硅灰石填充复合材料的拉伸强度和断裂强度均优于未处理体系，其中当表面处理硅灰石用量为10 phr时，复合材料的拉伸强度和断裂强度分别达到35MPa和30.6 MPa，比纯PP分别提高了17%和63%。
    (3)适量硅灰石的添加使PP/硅灰石复合材料的冲击性能明Xian改善；并且经表面改性&L理自勺硅灰石填充体系的冲击性能优于未处理体系，其中当改性硅灰石用量为40 phr时，复合材料的冲击强度达到Zui大值(2.59 MPa)，比纯PP提高了29%。