堿式硫酸鎂晶須增強聚丙烯的性能研究

黃兆閣　李方舟　劉樹駿

(青島科技大學，山東 青島,266042)

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堿式硫酸鎂晶須增強聚丙烯的性能研究

黃兆閣李方舟劉樹駿

(青島科技大學，山東 青島,266042)

采用了熔融共混的方法，制備了堿式硫酸鎂晶須(MHSH)增強聚丙烯(PP)復合材料。分別考察了MHSH用量對復合材料力學性能、結晶性能、熱性能的影響以及硅烷偶聯(lián)劑對MHSH表面處理效果的影響。結果表明，隨MHSH用量的增加復合材料的拉伸強度、彎曲強度、簡支梁缺口沖擊強度和熔體流動速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,復合材料的負荷變形溫度和分解溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。差式掃描量熱儀(DSC)分析發(fā)現(xiàn)，MHSH的加入可以有效促進復合材料中PP的結晶，而硅烷偶聯(lián)劑的使用可以改善復合材料的力學性能。

聚丙烯堿式硫酸鎂晶須力學性能硅烷偶聯(lián)劑

聚丙烯(PP)是我國應用的第二大塑料產(chǎn)品，它有著密度低、化學性質穩(wěn)定、易于加工等優(yōu)點，現(xiàn)已逐漸成為我們生活中不可或缺的材料之一。但它也存在著易老化、缺口敏感、低溫易脆化等缺點，這大大地限制了PP的應用。為此，人們通常采用填充共混、共聚等方法對PP改性，擴大PP的使用范圍。

堿式硫酸鎂晶須(MHSH)是一種新型針狀纖維增強材料，它具有高長徑比、好電氣性能、高力學強度和較低膨脹系數(shù)等優(yōu)點。使用它作為增強填料，既可以改善PP的強度和耐熱性能，也可以降低PP制品的成本。

本研究采用MHSH對PP進行填充改性，探討了MHSH用量對PP/MHSH復合材料的物理性能、結晶性能、熱失重性能的影響以及硅烷偶聯(lián)劑對MHSH表面處理效果的影響，以期改善PP復合材料的綜合性能。

1　試驗部分

1.1試驗原料

PP，PPH-T03，中國石化青島煉油化工有限責任公司；無水乙醇，分析純，天津市永大化學試劑有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，KH560，KH570，A171，Si69，湖北新藍天新材料股份有限公司；堿式硫酸鎂晶須，WS-1S2，營口威斯克化學有限公司。

1.2試驗設備

雙螺桿擠出機，SHJ-20，南京杰思特機電有限公司；注塑機，TTI-130F2，東華機械設備有限公司；箱式干燥機，壹日牌，臺日機械科技有限公司；簡支梁沖擊試驗機，GT-7045-MDH，臺灣高鐵科技股份有限公司；電子拉力試驗機，GT-TCS-2000，臺灣高鐵科技股份有限公司；維卡熱變形溫度試驗機，GT-HV2000-C6，臺灣高鐵科技股份有限公司；熔體流動速率測定儀，GT-7100-MI，高鐵科技股份有限公司；差示掃描量熱儀(DSC)，1/700，瑞士梅特勒-托利多公司；熱失重儀(TG)，1 SF，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.3試樣的制備

按MHSH質量的1.0%稱取硅烷偶聯(lián)劑，溶入適量無水乙醇中配成溶液，與MHSH混合均勻，放置24 h，干燥使乙醇揮發(fā)。

以PP為100份，表面處理過的MHSH用量分別為0，5，10，15，20份，稱量后用平行雙螺桿擠出機進行造粒，擠出機各段溫度如下：一段185 ℃、二段195 ℃、三段205 ℃、四段215 ℃和機頭210 ℃。在75 ℃下干燥4 h，用注塑機制備樣條。注塑機各段溫度如下：一段190 ℃、二段205 ℃、三段220 ℃和機頭215 ℃。注射壓力5.0 MPa，保壓壓力5.5 MPa，保壓時間5 s，冷卻時間15 s，模具溫度60 ℃。

1.4 性能測試

拉伸強度按GB/T 1040.2—2006/1A/100進行測試；彎曲性能按GB/T9341—2008進行測試，彎曲速度5 mm/min；簡支梁缺口沖擊強度按GB/T 1043.1—2008進行測試，擺錘能量1 J；負荷變形溫度按GB/T 1634.2—2004進行測試，測試負荷1.80 MPa；熔體流動速率按GB/T 3682—2000進行測試，采用230 ℃，2.16 kg載荷；DSC分析：N2氛圍，稱量材料3～5 mg，以10 ℃/min的速度從30 ℃升溫至200 ℃，恒溫5 min，消除熱歷史，再以10 ℃/min速率降溫至30 ℃ 。熱失重分析(TGA)：采用N2氛圍，10 ℃ /min的速率從50 ℃升溫至550 ℃。

2　結果與討論

2.1 MHSH對復合材料力學性能的影響

表1為MHSH用量對PP/MHSH復合材料力學性能的影響。

表1　MHSH用量對PP/MHSH復合材料力學性能的影響

注：下文中試樣同樣編號配方與此同。

*相對于PP為100份基礎上。

從表1可以看出，隨著MSHS用量的增加，復合材料的拉伸強度、彎曲強度和簡支梁缺口沖擊強度均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當MHSH用量為10份時，PP/MHSH復合材料的力學強度較高，其拉伸強度達到了32.3 MPa，較PP提高了7.7%；復合材料的彎曲強度達到了39.2 MPa，較純料提高了16.7%；復合材料的簡支梁缺口沖擊強度達到了7.8 kJ/m2，較PP提高了69.6%。究其原因是，當MHSH用量較少時，纖維狀的晶須可以在基體中起到承擔應力的作用，增大復合材料的強度。而MHSH用量增多后，一方面在擠出加工時，熔體黏度增大，晶須受剪切力使其變短，增強效果減弱；另一方面，隨著MHSH用量的增加，它與PP基體界面存在的缺陷增多，受到外力時，復合材料容易破壞[1-2]。

此外由表1還可以看出，隨著MHSH用量的增加，PP/MHSH復合材料的負荷變形溫度呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢，當MHSH用量為20份時，PP/MHSH復合材料的負荷變形溫度達到了70 ℃。這是因為MHSH耐熱性好，強度高，可以減弱大分子的滑移，也可以起到骨架的作用，使負荷變形溫度增加[3]。

由表1看出，隨著MHSH用量的增加，復合材料的熔體流動速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是因為，MHSH直徑較細，經(jīng)過擠出加工后，它能夠被PP基體包覆，并形成一定的取向。而當MHSH用量增多后，增大了熔體的黏度，增大了分子鏈段之間的摩擦，使流動阻力增加，復合材料的熔體流動速率降低。

2.2復合材料的DSC分析

從圖1可以看出， 隨著MHSH用量的增加，復合材料的結晶峰向高溫方向移動，說明MHSH可以在PP結晶過程中起到異相成核劑的作用。

圖1　 PP/MHSH復合材料的DSC分析

PP/MHSH復合材料的結晶參數(shù)如表2所示。從表2可以看出，隨著MHSH用量的增加，PP/MHSH復合材料的熔點(tm)有小幅度的增加，而結晶度(xc)則變化不大。PP/MHSH復合材料的起始結晶溫度(to)和結晶峰溫(tP)呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明PP在結晶過程中，MHSH可以起到良好的異相成核作用。

表2　PP/MHSH復合材料的DSC分析參數(shù)

注：χc=ΔHm/(ΔHm0×n)×100%，ΔHm0=209 J/g[4]，ΔHm為結晶焓，n為聚合物質量分數(shù)。

結晶峰的半峰寬與聚合物晶粒的尺寸分布有關，結晶峰半峰寬越小，晶粒尺寸分布窄，結晶越完善[5]。表1還表明，隨著MHSH用量增多，復合材料的半峰寬減小，這是由于MHSH起到異相成核劑的作用，相比于純PP均相成核的方式，異相成核過程中往往所有晶核同時生成，得到的晶粒相對均勻[6]。

2.3 復合材料的TGA

表3是PP/MHSH復合材料的TGA曲線的參數(shù)。表3中t2代表復合材料失重2%時的溫度，t5代表復合材料失重5%時的溫度，t30代表復合材料失重30%時的溫度，M代表復合材料燒到850 ℃時的殘留質量分數(shù)。由表3可以看出，隨著MHSH用量的增加，復合材料的t2，t5和t30值都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，MHSH用量為20份時，t2溫度高達388.6 ℃，較PP提高了16.5 ℃。PP/MHSH復合材料的耐熱分解性能變好，主要是由于MHSH屬于無機礦物，分解溫度高，它的填充作用增強了復合材料的耐熱性。

表3 PP/MHSH復合材料的TGA參數(shù)

2.4 硅烷偶聯(lián)劑對復合材料力學性能的影響

硅烷偶聯(lián)劑對PP/MHSH復合材料力學性能的影響見表4。

表4 硅烷偶聯(lián)劑對PP/MHSH復合材料力學性能的影響

注：PP/MHSH質量比100/10。

從表4可以看出，用硅烷偶聯(lián)劑對MHSH進行表面處理后，PP/MHSH復合材料的拉伸強度、彎曲強度、簡支梁缺口沖擊強度和負荷變形溫度都有所增加。綜合來看使用硅烷偶聯(lián)劑KH560的綜合效果較好。這是因為MHSH表面的羥基和PP原本不相容，使用了硅烷偶聯(lián)劑之后，烷氧基水解后形成的硅醇與羥基可以形成化學鍵，它們的界面結合得到了改善，綜合性能得到了提高。

3　結論

a)隨著MHSH用量的增加，PP/MHSH復合材料的拉伸強度、彎曲強度、簡支梁缺口沖擊強度和熔體流動速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，負荷變形溫度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

b)PP/MHSH復合材料在結晶過程中，MHSH可以起到異相成核劑的作用。復合材料的結晶峰向高溫方向移動，晶粒尺寸變小，而xc變化不大。

c)隨著MHSH用量的增加，PP/MHSH復合材料的耐熱分解性能增強。

d)用硅烷偶聯(lián)劑對MHSH進行表面處理后，PP/MHSH復合材料的綜合力學性能得到了增強，其中KH560的表面處理效果較其他硅烷偶聯(lián)劑的效果好。

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Study on Performance of Magnesium Hydroxide Sulfate Hydrate Whisker Reinforced Polypropylene

Huang ZhaogeLi FangzhouLiu Shujun

(Qingdao University of Science & Technology,Qingdao,Shandong, 266042)

Magnesium hydroxide sulfate hydrate whisker (MHSH) reinforced polypropylene (PP) composites were prepared by melt blending method, and the effect of MHSH content on mechanical properties, crystallization behaviors, thermal properties of the composites， and the effect of silane coupling agents on surface treatment were studied. The results show that tensile strength,flexural strength,charry notched impact strength and the melt mass flow rate of the composites increase firstly and then decrease,and the deflection temperature under load and decomposition temperature of the composites increase with the increase of MHSH content. The DSC results show that the crystallization of PP in the composites is promoted by the addition of MHSH. Mechanical properties of the composites are improved after the use of silane coupling agents.

polypropylene;magnesium hydroxide sulfate hydrate whisker;mechanical properties;silane coupling agent

2016-02-23;修改稿收到日期:2016-05-06。

黃兆閣，男，山東青島人，副教授，主要研究方向為高性能材料的研究與制備。E-mail:3808986601@163.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.04.010