耐水煮玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的研制

裘浩成，婁小安，孟成銘

(上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 201109)

耐水煮玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的研制

裘浩成，婁小安，孟成銘

(上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司，上海 201109)

摘要分析了水煮時間對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響；研究了基料、相容劑對材料耐水煮性能的影響，并利用掃描電子顯微鏡觀察了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的形貌。結(jié)果表明：以低熔融指數(shù)的聚丙烯為基體，采用高熱穩(wěn)定的相容劑有利于玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯耐水煮性能的提高，能夠?qū)⒘W(xué)性能下降率控制在10%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞耐水煮； 相容劑； 聚丙烯

玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯作為一種通用熱塑性增強(qiáng)復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高剛性、高耐熱性及低收縮率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、化工等行業(yè)。聚丙烯本身不吸水，但是玻璃纖維以及相容劑的加入，導(dǎo)致材料的吸濕性增強(qiáng)，在熱水的長期作用下，材料的性能顯著下降[1-2]。筆者研究了水煮對材料性能的影響，并通過優(yōu)化配方制得耐水煮玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料，可適用于水泵、汽車水箱等高溫、高濕環(huán)境下使用的制件。

1實(shí)驗(yàn)

1.1　原料

聚丙烯(PP1)F 401，(熔融指數(shù)：2 g/min), 揚(yáng)子石化公司；聚丙烯(PP)2S 700(熔融指數(shù)：10 g/min),揚(yáng)子石化公司；聚丙烯(PP 3)S 2040(熔融指數(shù)：30 g/min)，上海賽科；無堿玻璃纖維GF 988A,巨石集團(tuán)有限公司；相容劑1(聚丙烯接枝馬來酸酐)市售； 相容劑2(聚丙烯接枝馬來酸酐)市售；其他助劑市售。

1.2　儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)KS 36，昆山科信機(jī)械設(shè)備有限公司；注塑機(jī)HTF 80X 1，寧波海天注塑機(jī)廠；微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)CMT 6104，深圳新三思材料檢測公司；懸臂梁沖擊儀JS-25，承德精密試驗(yàn)機(jī)公司；數(shù)顯恒溫水浴箱HH-6，江蘇普銳斯儀器有限公司；掃描電子顯微鏡Dimension 3100，Veeco；混料機(jī)SPQB-50，鄭州天凱機(jī)械設(shè)備有限公司；DSCPT10，德國林塞斯。

1.3　試樣的制備

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75%的聚丙烯、4%的相容劑及1%的其他助劑，在混料機(jī)中混合5 min，置于主喂料中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的連續(xù)長玻璃纖維從玻璃纖維口進(jìn)入，經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)擠出、造粒、烘干，將粒料注塑成樣條。

1.4　性能表征

將樣條置于數(shù)控恒溫水浴箱中，溫度控制在100 ℃，經(jīng)過一定時間后取出，擦干，靜置24 h后，測試樣條的拉伸強(qiáng)度、彎曲模量及缺口沖擊強(qiáng)度。

2結(jié)果與討論

2.1　水煮時間對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯性能的影響

分別對樣條水煮6 h、12 h、24 h、48 h，比較水煮時間對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲模量的影響，如圖1、2所示。

圖1　水煮時間對缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的影響

隨著水煮時間的延長，玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度迅速下降，但是下降幅度逐漸減小。這是由于玻璃纖維表面存在親水的羥基，相容劑聚丙烯接枝馬來酸酐也具有親水性，而聚丙烯是疏水的，在低溫條件下，聚丙烯的分子鏈凍結(jié)，水分子很難穿透聚丙烯分子與相容劑及玻璃纖維作用；而在較高溫度下，聚丙烯分子的鏈段開始活動，致使水分子容易穿透聚丙烯分子與相容劑及玻璃纖維作用，破壞了兩者的結(jié)合，進(jìn)而破壞基體與樹脂的結(jié)合。水煮時間越長，影響越明顯，因此，玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)水煮時間超過48 h后，相容劑幾乎失去作用，因此，力學(xué)性能趨于恒值。

圖2　水煮時間對彎曲模量的影響

水煮時間對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的彎曲模量影響不大。這是由于彎曲模量表征材料的剛性，玻璃纖維與基體界面變化不會影響材料的剛性。

2.2　影響玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯耐水煮性的因素

由圖1可知：玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料在水煮24 h后，其缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的下降幅度已經(jīng)很小。因此，以水煮24 h玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的下降率評價其耐水煮性能。研究基體的熔融指數(shù)、相容劑和螺桿組合對耐水煮玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯性能的影響。表1為不同基體、不同相容劑的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料在水煮前后的缺口沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度。

表1　水煮前后的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度對比

2.2.1聚丙烯基體的熔融指數(shù)

不同熔融指數(shù)的聚丙烯為基體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，經(jīng)水煮后的性能下降率，如圖3所示。由圖3可知：基體樹脂的熔融指數(shù)越小，復(fù)合材料的耐水煮性能越好。這是由于聚丙烯的黏度越大，相對分子質(zhì)量越高，分子間的鏈段纏結(jié)也越多，分子間的作用力大，水分子不易滲透到玻璃纖維和相容劑的界面[3]。

圖3　PP的熔融指數(shù)對復(fù)合材料耐水煮性能的影響

2.2.2相容劑

不同相容劑的熱穩(wěn)定性不盡相同。隨著水煮時間的延長，相容劑會逐漸失效。通過測定相容劑的氧化誘導(dǎo)期[4]來表征相容劑熱穩(wěn)定性的差異。氧化誘導(dǎo)期是測定試樣在高溫(200 °C)、氧氣存在的條件下，開始發(fā)生自動催化氧化反應(yīng)的時間，用以評定材料的熱老化性能。

比較了兩種相容劑的氧化誘導(dǎo)期。相容劑2具有更好的熱穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4　相容劑的氧化誘導(dǎo)期

分別在體系中加入相同質(zhì)量的相容劑，研究相容劑對復(fù)合材料耐水煮性能的影響，如圖5所示。由圖5可知：采用高熱穩(wěn)定的聚丙烯接枝馬來酸酐的，其拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度僅下降了5.5%和16.1%，而普通的聚丙烯接枝馬來酸酐則分別下降了25%和30%。這是由于高熱穩(wěn)定的聚丙烯接枝馬來酸酐的產(chǎn)品純度更高，過氧化物殘留量更低，相容劑與玻璃纖維結(jié)合得更穩(wěn)定，水分子的破壞作用相對較小。

圖5　相容劑對復(fù)合材料耐水煮性能的影響

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：采用低熔融指數(shù)的聚丙烯和高熱穩(wěn)定的相容劑，制得的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP1/GF/PP-g-MAH2)的耐水煮性能優(yōu)異，水煮后拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別僅下降了4.0%和7.6%。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證高熱穩(wěn)定相容劑對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯耐水煮性的影響，利用掃描電子顯微鏡觀察玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的形貌，如圖6所示。

圖6　玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的形貌

由圖6可知：使用相容劑2，可增強(qiáng)聚丙烯與玻璃纖維的界面黏結(jié)，聚丙烯樹脂對玻璃纖維包覆得更好。這有利于抵抗水分子對其界面的破壞。

3結(jié)語

(1) 水煮會造成玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的拉伸性能和沖擊性能下降，其下降的幅度隨水煮時間的延長逐步減小，而彎曲性能影響不大。

(2) 增加聚丙烯的相對分子質(zhì)量，采用高熱穩(wěn)定的相容劑，有利于玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的耐水煮性。通過調(diào)整配方，可有效改善復(fù)合材料的耐水煮性，將拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度的下降率控制在10%以內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周曉東,戴干策. 玻璃纖維氈增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的濕熱穩(wěn)定性[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,1999, 1(1):16-19.

[2]周曉東,林群芳,戴干策. 環(huán)境因素對玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯界面的損傷[J].塑料工業(yè),2000,28(1):18-19.

[3]楊衛(wèi)疆,戴干策. 界面處理和冷卻條件對玻璃纖維與聚丙烯界面結(jié)合的影響[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998,24(6):675-679.

[4]張瑾.聚烯烴氧化誘導(dǎo)期的測試[M]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2008(6)：25-27.

·研究與應(yīng)用·

Preparation of Glass Fiber Reinforced Polypropylene

with Boiling Water-Resistant Performance

QIU Hao-cheng, LOU Xiao-an, MENG Cheng-ming

(Shanghai Sunny New Technology Development Co.Ltd., Shanghai 201109, China)

Abstract：The effect of poaching time on the mechanical property of glass fiber reinforced polypropylene was analyzed. The effects of base material, compatibilizer on the boiling water resistant property were studied, and the morphology of glass fiber reinforced polypropylene was observed by scanning electron microscopy. The results show that using low molten index polypropylene as base resin and the high thermal stability compatibilizer could improve the boiling water-resistant property of glass fiber reinforced polypropylene, and the degradation rate of mechanical property is controlled within 10%.

Key words：boiling water-resistant; compatibilizer; polypropylene

收稿日期：(2015-05-13)

作者簡介：裘浩成(1987—)，男，碩士，工程師，從事聚合物加工改性、復(fù)合材料界面等研究。

中圖分類號：TQ 320

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-5993(2015)02-0031-03