堿式硫酸鎂晶須/聚丙烯復合材料力學性能的研究

姜玉芝，張麗麗，張忠陽，王利華

(沈陽理工大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110159)

堿式硫酸鎂晶須［1－5］是一種功能性的單晶纖維，外表纖細、光滑，具有很好的增強和阻燃等性能。其組成［1］可用通式 xMgSO4·yMg(OH)2·zH2O表示，稱為xyz堿式硫酸鎂晶須，其中MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O、MgSO4·5Mg(OH)2·2H2O是研究較多的兩種(本文研究前者)，具有無毒、發(fā)煙量小、增強和阻燃性好等特性，熱分解開始溫度為260℃。將堿式硫酸鎂晶須添加到塑料、橡膠等基體中制備復合材料，具有補強作用，還可實現(xiàn)良好的阻燃，從而達到增強阻燃的雙重效果［6］，這將對防火性能要求越來越嚴格的阻燃材料產生深遠影響。對晶須表面進行適當?shù)母男裕商岣咂渑c基體的相容性［7］。本實驗主要研究晶須表面改性的效果及用量對MOS/PP基復合材料力學性能的影響，探討復合材料獲得綜合性能最佳時晶須的改性劑及添加量，為未來晶須的量化生產及應用提供技術支持。

1 試驗部分

1.1 實驗原料

153堿式硫酸鎂晶須是以菱鎂礦為原料，采用水熱法在實驗室制備，其直徑≤0.5μm，平均長徑比為50左右，表面光滑、筆直無彎曲。聚丙烯(PP)原料是市場購買的合格產品。

1.2 堿式硫酸鎂晶須的改性

1.2.1 硬質酸鋅表面化學改性MOS

采用國內已有的研究成果，利用硬脂酸鋅對制得的堿式硫酸鎂晶須進行表面改性處理。稱取一定量堿式硫酸鎂晶須置于燒杯中，配成料漿后置入一定溫度的恒溫水浴，用電動攪拌器攪拌，使晶須充分分散成懸浮液待恒溫后，加入用無水乙醇溶好的一定量硬酯酸鋅，在一定攪拌速度下進行表面改性，改性一定時間后將樣品在室溫下靜止冷卻，用去離子水洗滌、過濾、干燥，得到硬脂酸鋅改性的MOS。

1.2.2 微乳液聚合改性MOS

(1)將一定量的乳化劑加入蒸餾水中配置成水溶液，加入一定量的丙烯酸正丁酯混合均勻后，徐徐加入MOS，攪拌升溫至60～70℃。

(2)在燒杯中配制馬來酸酐水溶液，加入一定量引發(fā)劑攪拌均勻，轉至滴液漏斗中。

(3)將(2)配制的馬來酸酐溶液在30min內滴加到(1)的混合反應體系中，升溫至85℃，保溫2h。取出乳液并破乳，經蒸餾水充分洗滌，抽濾、干燥得到微乳液改性的MOS。

1.3 復合材料制備

利用XSS-300型轉矩流變儀，控制制備參數(shù)，晶須的添加量分別為10%、20%、30%、40%、50%和60%，分別制備出不同改性劑改性的MOS/PP復合材料。利用XCV100型平板硫化機，按國標GB/T16421－1996Ⅱ2型試樣標準，控制成型溫度為175℃，制備出聚丙烯基復合材料力學性能檢測試樣。按國標GB/T1843/U標準，制備出長l=80±2mm，寬 b=10.0±0.2mm，厚 h=4.0±0.2mm的無缺口沖擊試樣，用于懸臂梁沖擊強度檢測試樣。

1.4 材料性能測試

按國標GB/T16421-1996Ⅱ2型試樣標準，在室溫25℃，拉伸速度為20×(1±10%)mm/min下，對復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量等進行測定，實驗結果取3個試樣平均值。

按國標GB/T1843-2008的標準，在室溫25℃下，對復合材料進行無缺口沖擊強度測定。實驗選用的沖擊方式為側向平行沖擊，實驗結果取3個試樣平均值。

2 結果與分析

2.1 改性劑及晶須用量對復合材料力學性能的影響

不同改性劑改性的MOS及晶須用量對復合材料力學性能的影響如圖1～圖4所示。

圖1為復合材料的拉伸強度隨晶須含量的變化曲線。隨晶須含量的增加，復合材料的拉伸強度均低于基體的拉伸強度。將三條曲線對比不難看出，硬脂酸鋅改性后的晶須復合材料拉伸強度最大，微乳液改性晶須復合材料的最小，未改性的MOS/PP復合材料的性能介于兩者之間。

圖2為復合材料的彈性模量隨晶須含量的變化曲線。當晶須含量為20%時，硬脂酸鋅改性MOS/PP的彈性模量達最大值309.66MPa，比PP基體的215.76MPa提高了43.52%。MOS/PP復合材料的彈性模量不斷增加。當晶須含量為30%時，微乳液共聚改性MOS/PP復合材料的彈性模量為225.60MPa，略微大于PP基體值，整體趨勢遠不及硬脂酸鋅改性的晶須復合材料。相比之下，硬脂酸鋅改性MOS/PP復合材料的彈性模量大，微乳液共聚改性MOS/PP復合材料最小。

圖1 改性劑及MOS用量對拉伸強度的影響

圖2 改性劑及晶須用量對彈性模量的影響

圖3為復合材料的沖擊強度隨晶須含量的變化曲線。當晶須含量為20%，復合材料的沖擊強度達最大值，其中微乳液共聚改性的晶須復合材料可達5.0kJ/m2，其它兩者均與基體的3.75kJ/m2相同。總體趨勢上微乳液改性的晶須復合材料具備較好的沖擊性能，未改性晶須復合材料的沖擊強度最小。

圖4為復合材料斷裂伸長率隨晶須含量的變化曲線。在晶須含量為20%時，MOS/PP復合材料和硬脂酸鋅改性MOS/PP復合材料的斷裂伸長率都達最大值，分別為36%、41%，比基體的34%分別提高了5.9%、20.6%。而微乳液共聚改性MOS/PP復合材料的斷裂伸長率卻低于以上兩者。

圖3 改性劑及MOS用量對沖擊強度的影響

圖4 改性劑及MOS用量對斷裂伸長率的影響

復合材料的力學性能測試結果表明，除沖擊強度外，硬脂酸鋅改性MOS/PP復合材料的各項力學性能較好，當晶須含量為20%時，復合材料的彈性模量、斷裂伸長率分別比基體提高了43.52%、20.6%。而未改性MOS/PP復合材料的力學性能較差，微乳液共聚改性MOS/PP的力學性能中，除沖擊強度能達到5.0kJ/m2，比基體材料提高了33.3%外，其余力學性能均較低。

2.2 MOS/PP基復合材料的界面結構

對復合材料的界面進行SEM、FT-IR分析，觀察復合材料界面結構，研究界面間相互作用，分析結果分別如圖5、圖6所示。

由圖5a可見，未改性的MOS/PP復合材料中，晶須分布雜亂、無序，斷面中有基體被拉伸成束并被扯斷的跡象。圖5b硬脂酸鋅改性MOS/PP材料中，晶須與基體相容性較好，分布有序，拉伸后部分晶須與基體有纏結的狀態(tài)。圖5c微乳液共聚改性MOS/PP復合材料中，晶須分布均勻，與基體相容性較好，復合材料的斷面中出現(xiàn)了基體斷層，晶須也被拔出裸露在外，并出現(xiàn)一定偏轉現(xiàn)象。

圖5 不同改性劑處理后的MOS/PP復合材料界面SEM照片

圖6 不同改性劑處理后的MOS/PP復合材料斷面FT-IR譜圖

圖6為復合材料斷面的FT-IR分析。將圖6中未改性的MOS/PP譜圖與PP的譜圖進行對比分析可見，未改性的MOS/PP譜圖比PP譜圖只多了 3650cm－1、3616cm－1羥基特征譜帶、1114cm－1硫氧特征譜帶，并無其它譜帶不同，說明未改性的MOS/PP材料中，晶須與基體并無化學鍵形成。將硬脂酸鋅改性的MOS/PP材料的譜圖與PP譜圖對比分析，發(fā)現(xiàn)也無新譜帶出現(xiàn)，晶須與基體間也未成鍵。在微乳液共聚改性MOS/PP材料中，1730cm－1為酯 C=O伸縮振動吸收譜帶，1114cm－1硫氧特征譜帶，其它位置并未出現(xiàn)新的譜帶，說明晶須與基體間也無化學鍵的形成。經過FT－IR對復合材料的界面結構分析表明，未改性的晶須和硬脂酸鋅及微乳液改性的晶須與PP基體材料間都無化學鍵的形成。

2.3 MOS/PP基復合材料的作用機理

由MOS/PP復合材料的力學性能、界面結構檢測分析，對MOS/PP基復合材料中各相之間相互作用機理分析認為，未改性的MOS與基體PP連接較差，晶須的加入降低了PP的結晶性能，增加了PP分子間距，降低了分子間相互作用力，使復合材料的力學性能變差，晶須含量越大，力學性能降低越明顯。硬脂酸鋅改性后的MOS與基體PP相容性提高，晶須表面上與改性劑小分子形成膜層，一方面減少了晶須的團聚，提高了晶須在基體的分布均勻性;另一方面在圖5復合材料界面的SEM圖像中，可看到晶須能與PP基體產生一定的物理交纏，這兩方面的綜合作用結果，使得復合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量均有所提高。例如當MOS含量為20%時，復合材料的彈性模量、斷裂伸長率分別比基體材料提高了43.52%、20.6%，斷裂伸長率最高可達43%。微乳液共聚改性MOS/PP材料中，微乳液共聚改性后的晶須表面形成了更柔韌的有機層，與晶須的剛硬形成互補效應，可吸收更多能量，復合材料的沖擊強度最大提高了35.13%，在外力拉伸作用下，晶須能發(fā)生一定偏轉，以致斷面處出現(xiàn)無規(guī)則取向的晶須，最終在更強外力的作用下，晶須被拔出，起到增強作用。

3 結論

(1)硬脂酸鋅和微乳液改性的MOS比未改性的MOS能更均勻地分布于基體PP材料中，與基體PP相容性好;

(2)經硬脂酸鋅改性的MOS/PP復合材料具有最佳的力學性能，當MOS用量為20%時，復合材料的力學性能達到最大值，抗拉強度為44.91MPa，彈性模量為 309.66MPa，沖擊強度3.75kJ/m2，斷裂伸長率為41%;

(3)復合材料的界面結構研究表明，未改性的MOS、硬脂酸鋅改性的 MOS和微乳液改性的MOS與PP基體材料之間均無化學鍵形成;

(4)硬脂酸鋅改性的MOS/PP復合材料的力學性能的改善主要是通過物理纏繞獲得，微乳液改性的MOS/PP復合材料力學性能的提高主要是通過晶須偏轉和拔出作用獲得。

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