丙綸纖維自增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂的研究*

敖玉輝，孫陽(yáng)陽(yáng)，陳 剛，陳麗巖，李連貴

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130012）

聚丙烯（PP）具有良好的物理機(jī)械性能，耐化學(xué)腐蝕性和易加工成型等特點(diǎn)，但PP也存在強(qiáng)度不高、成型收縮率大、制品易翹曲等缺點(diǎn)。因此，對(duì)PP增強(qiáng)改性是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1]。目前，PP纖維增強(qiáng)改性多以玻璃纖維，天然植物纖維等為主，這些增強(qiáng)纖維雖然可以提高材料的強(qiáng)度，但與此同時(shí)大大降低了材料的韌性，影響了材料的使用[2-4]。本文擬用丙綸纖維自增強(qiáng)改性PP，其目的在于通過(guò)丙綸纖維對(duì)PP樹(shù)脂增強(qiáng)的同時(shí)，保持丙綸纖維/PP復(fù)合材料具有很好的韌性，制備出一種綜合性能好于上述纖維增強(qiáng)PP的新材料。據(jù)我們所知，有關(guān)丙綸纖維增強(qiáng)PP的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，研究丙綸纖維/PP復(fù)合材料具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。

本文選取丙綸纖維為增強(qiáng)體，PP為基體。研究了不同溫度、丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并通過(guò)SEM對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料、設(shè)備及儀器

丙綸纖維（240D、900D廣東恒通工業(yè)有限公司）；聚丙烯樹(shù)脂（K8303粒料MFR為2.0g·10min-1密度為0.92 g·cm-3中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司）。

TM-80型色織打樣機(jī)（江蘇省常熟市碧溪紡織機(jī)械廠）；Rheocord 90型Haake轉(zhuǎn)矩流變儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）；HD-015型平板硫化機(jī)（青島亞?wèn)|橡塑機(jī)械有限公司）；3365型材料試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)Instron公司）；AJU-22型懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)（承德材料實(shí)驗(yàn)機(jī)廠）；JSM-5600型掃描電子顯微鏡（SEM）（日本電子公司）。

1.3 試樣的制備

（1）丙綸纖維的編織 使用色織打樣紙將不同纖度的丙綸纖維240D和900D在經(jīng)密70根/10cm、緯密75根/10cm的條件下，紡織成平紋的織物，織物幅寬為28cm?？椢锉砻嫘螒B(tài)見(jiàn)圖1。圖1（a）是丙綸纖維240D平紋機(jī)織物，圖1（b）是丙綸纖維900D平紋機(jī)織物。

圖1 丙綸纖維平紋機(jī)織物Fig.1 Plain fiber of polypropylene fiber

（2）丙綸纖維/PP復(fù)合材料的制備 將PP粒料經(jīng)轉(zhuǎn)矩流變儀混合后，用平板硫化機(jī)熱壓成板材，熱壓溫度為190℃，壓力為5 MPa。

固定丙綸纖維用量為5%，夾在制備好的PP板材中，放入平板硫化機(jī)中熱壓，熱壓溫度為175～205℃，壓力5MPa，制備復(fù)合材料板材。固定熱壓溫度為195℃，丙綸纖維按層數(shù)添加，纖維用量為PP用量的5%、10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），制備復(fù)合材料板材。

用啞鈴型刀具把復(fù)合材料板材裁成標(biāo)準(zhǔn)樣條，測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度，用萬(wàn)能制樣機(jī)把樣條裁成標(biāo)準(zhǔn)樣條，打好缺口，測(cè)試缺口沖擊強(qiáng)度。

1.4 材料性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度按ASTM-D638測(cè)試，拉伸速度為50mm·min-1，測(cè)試溫度為23℃；缺口沖擊強(qiáng)度按ASTM-D256測(cè)試，測(cè)試溫度為23℃。

1.5 微觀結(jié)構(gòu)觀察

為了避免變形，將丙綸纖維/PP復(fù)合材料樣品置于液氮中冷凍5h，取出立即脆斷，噴金后進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙綸纖維對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2是聚丙烯拉斷試樣和加入丙綸纖維后拉斷試樣比較圖。

圖2 聚丙烯拉斷試樣和加入丙綸纖維后拉斷試樣比較圖Fig.2 Comparison of polypropylene tension fracture samples and adding polypropylene fiber

從圖2中可以看出，在拉伸過(guò)程中，聚丙烯的“頸縮”現(xiàn)象非常明顯，而復(fù)合材料這一現(xiàn)象不明顯，出現(xiàn)“發(fā)白”現(xiàn)象后，隨之?dāng)嗔?，脆性大，斷裂口有少量裂紋，加入纖維后復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率變小[5]。

2.1.1 熱壓溫度對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響 在熱壓的過(guò)程中，很重要的一個(gè)問(wèn)題是基體樹(shù)脂能夠充分的浸潤(rùn)丙綸纖維，這就和聚丙烯在高溫下的粘度有關(guān)。溫度過(guò)低時(shí)，樹(shù)脂流動(dòng)性小，不能充分的浸潤(rùn)纖維，隨著溫度的升高，分子間的相互作用力減弱，聚合物的熔體粘度降低，流動(dòng)性增大，可以充分的浸潤(rùn)丙綸纖維，使得基體與纖維有良好的界面結(jié)合，能夠提高復(fù)合材料的力學(xué)性能[6]。溫度過(guò)高時(shí)，丙綸纖維分解脆化，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，從而影響所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖3是不同溫度下，纖維纖度為240D和900D的丙綸纖維對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度影響的關(guān)系圖。

圖3 不同溫度下，240D和900D的丙綸纖維對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度影響的測(cè)試圖Fig.3 Effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite under different temperatures

從圖3中可以看出，隨著溫度升高，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈先升后降的趨勢(shì)，在195℃時(shí)拉伸強(qiáng)度最高。因此，本文選取的最佳實(shí)驗(yàn)溫度為195℃。

2.1.2 丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響 本文選取的最佳實(shí)驗(yàn)溫度為195℃。在此溫度下，將丙綸纖維按層數(shù)添加，纖維用量為PP用量的5%、10%、15%、20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），研究纖維用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。圖4是纖度為240D和900D丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響的關(guān)系圖。

圖4 240D和900D丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響的測(cè)試圖Fig.4 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite

從圖4中可以看出，隨著復(fù)合材料中纖維用量的增多，丙綸纖維/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在纖維用量為15%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最高點(diǎn)，240D丙綸纖維/PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度可達(dá)25.46MPa，900D丙綸纖維/PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度可達(dá)26.88MPa。當(dāng)纖維用量超過(guò)15%以后，拉伸強(qiáng)度有所下降。這是因?yàn)槔w維用量較少時(shí)，丙綸纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為承載體可以承擔(dān)部分載荷，丙綸纖維與PP產(chǎn)生了較好的協(xié)同效果，使得拉伸強(qiáng)度上升，而纖維用量較多時(shí)，纖維含量過(guò)大，無(wú)法被基體充分浸潤(rùn)，纖維與基體樹(shù)脂間界面結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，這樣，破壞了復(fù)合材料的拉伸性能，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低[7-9]。

2.2 丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

圖5是纖度為240D和900D丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響的關(guān)系圖。

從圖5中可以看出，加入丙綸纖維后復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)。聚丙烯基體為韌性材料，一般對(duì)復(fù)合材料的斷裂韌性有較大的貢獻(xiàn)，但是，由于纖維的加入嚴(yán)重限制了基體的變形，從而大大降低了基體對(duì)復(fù)合材料斷裂韌性的貢獻(xiàn)[10]。隨著纖維用量的增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度小幅度下降，當(dāng)纖維用量到20%時(shí)，沖擊強(qiáng)度仍保持在400 J·m-1以上，呈現(xiàn)韌性斷裂。

圖5 240D和900D丙綸纖維用量對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響的測(cè)試圖Fig.5 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on impact strength of composite

2.3 丙綸纖維/PP復(fù)合材料斷面形貌分析

復(fù)合材料的界面是外加載荷通過(guò)基體向增強(qiáng)材料傳遞的樞紐，界面的性能對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能及破壞行為有著重大的影響，為了使纖維增強(qiáng)復(fù)合材料充分發(fā)揮材料的增強(qiáng)作用，必須在增強(qiáng)材料與基體之間形成有效的界面粘結(jié)[11]。采用丙綸纖維增強(qiáng)PP得到的復(fù)合材料從微觀上看，這種復(fù)合材料骨架是丙綸纖維，基體是PP樹(shù)脂，在共同組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，其所起的作用是不同的。樹(shù)脂基體使纖維粘結(jié)固定，并保護(hù)纖維，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)，樹(shù)脂基體在拉伸應(yīng)力作用下可產(chǎn)生塑性移動(dòng)，從而將載荷傳遞到纖維上，由纖維來(lái)承擔(dān)載荷[11]。

圖6是丙綸纖維/PP復(fù)合材料斷面的SEM照片。

圖6 復(fù)合材料斷面的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM for fracture surface of composite

圖6（a）、（b）是 175℃和 180℃時(shí)丙綸纖維 /PP復(fù)合材料斷面的SEM照片。從圖6（a）、（b）中可以明顯看出，丙綸纖維表面與PP基體間界面結(jié)合不好，有縫隙，并有纖維拔出的現(xiàn)象，這種界面結(jié)合狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度較低，這與其力學(xué)性質(zhì)相一致。

圖6（c）、（d）是 185℃和 195℃時(shí)丙綸纖維 /PP復(fù)合材料斷面的SEM照片。從圖6（c）、（d）中可以看出丙綸纖維與PP樹(shù)脂間界面結(jié)合緊密，樹(shù)脂緊緊包圍纖維并進(jìn)入纖維內(nèi)部。從斷面可以看出纖維呈直立的拉斷狀態(tài)，說(shuō)明纖維承受了大部分載荷，起到了承力作用，這種良好的界面結(jié)合狀態(tài)會(huì)使復(fù)合材料強(qiáng)度升高，這點(diǎn)由圖2中力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到驗(yàn)證。

圖6（e）是200℃時(shí)丙綸纖維/PP復(fù)合材料斷面的SEM照片。從圖6（e）中可以看，出溫度過(guò)高使得丙綸纖維熔化，破壞了丙綸纖維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)反而會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

（1）溫度對(duì)丙綸纖維/PP復(fù)合材料的界面粘結(jié)度有影響，選擇適當(dāng)?shù)臒釅簻囟扔欣诮缑娼Y(jié)合，進(jìn)而會(huì)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)最佳熱壓溫度為195℃。

（2）對(duì)于加入不同比例的丙綸纖維，隨著纖維用量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，并且在纖維含量是15%時(shí)拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高點(diǎn)，而后降低。復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度隨著纖維用量增加呈小幅度降低趨勢(shì)。

（3）復(fù)合材料的掃描電鏡照片表明：兩種材料間的不同界面結(jié)合對(duì)丙綸纖維/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能具有顯著影響，良好的界面結(jié)合會(huì)提高材料的力學(xué)性能。

［1］Miguel A Lopez Manchado,Luigi Torre,Jose M Kenny.Kinetic Crystallization of Polypropylene in Ternary Composites Based on Fiber-Reinforced PP/EPDM Blends［J］.Journal of Applied Polymer Science，2001，81:1063-1074.

［2］曹勇,吳義強(qiáng),合田公一.麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.材料研究學(xué)報(bào),2008,22（1）:10-17.

［3］Thomasset J,Carreau P J,Sanschagrin B,et al.Rheologleal properties of long glass fiber filled polypropylene［J］.J.Non-Newtonian Fluid Mech,2005,125:25-34.

［4］Dieu T V,Phai L T,Ngoc P M,et al.Study on preparation of polymer composites based on polypropylene reinforced by jute fibers［J］.JSME International Series A,2004,47（4）:547.

［5］Harriette L.Bos,Jorg Mussig,Martien J.A.van den Oever.Mechanical properties of short-flax-fibre reinforceed compounds［J］.Composites,2006,（37）:1591-1604.

［6］崔益華,Noruziaan Bahman,Lee Stephen,等.玻璃纖維/木塑混雜復(fù)合材料及其協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)［J］.高分子材料科學(xué)與工程,2006,22（3）:231-234.

［7］王秋峰,翟歡,侯靜強(qiáng),等.熔體包覆法長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2007，23（5）：230-233.

［8］Morhanty A K,Drzal L T,Misra M.Engineered natural fiber reinforced polypropylene composites:Influence of surface modifications and novel powder inmpregnation processing［J］.J.Adhesion Sci.Technol,2002,16（8）:999-1015.

［9］A.van der Wal,J.J.Mulder,J.Oderkerk，et al.Polypropylene-rubber blends:1.The effect of the matrix properties on the impact behaviour［J］.Polymer，1998,26:6781-6787.

［10］V N Hristov,R Lach,W Grellmann.Impact fracure behavior of modified polypropylene/wood fiber composites［J］.Polymer Testing,2004,23:583-589.

［11］Park J M,Kim J W,Goda K.A new method of evaluating the inter-facial properties of composites by means of the gradual multi-fiber fragment test ［J］.Composites Science and Technology,2000,60（3）:439-450.