短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能的研究

季新宇，王立巖，宋敬星，滕聞起，田茂林，信 超

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003; 2.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能的研究

季新宇1，王立巖1，宋敬星2，滕聞起1，田茂林1，信 超1

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003; 2.大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

采用雙螺桿擠出機(jī)通過熔融共混的工藝路線制得短玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP)復(fù)合材料，通過激光粒度分布儀對(duì)復(fù)合體系中的玻璃纖維的長度進(jìn)行了測試，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的主要力學(xué)性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明：隨著短玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料中短玻璃纖維的長度平均徑有所減??；隨著短玻璃纖維含量的增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度都大幅度增加，硬度有所增加；當(dāng)短玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，短玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為64.39 MPa，與純PP相比提高了74%，沖擊強(qiáng)度為5.8 kJ /m2，與純PP相比提高了174%，硬度為85，與純PP相比提高了11%。

聚丙烯 玻璃纖維 復(fù)合材料 力學(xué)性能

聚丙烯(PP)具有力學(xué)性能、電絕緣性和加工性能好、化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于紡織、家電、包裝及汽車等領(lǐng)域，但PP也存在成型收縮率大、低溫沖擊性能差、易老化，而且抗靜電性、耐候性和染色性差等缺點(diǎn)，限制了其在高端行業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用，因此材料界和產(chǎn)業(yè)界都很關(guān)注PP的改性。目前PP的改性方法有共聚、均聚改性，還有共混、復(fù)合改性等方法，其中纖維增強(qiáng)PP的改性是近年來研究的熱點(diǎn)[1-5]。

玻璃纖維價(jià)格低廉，比強(qiáng)度和楊氏模量較一般樹脂高10倍，耐熱和耐化學(xué)藥品性能、機(jī)械性能出色，單絲強(qiáng)度可達(dá)到 3 500 N/mm2，彈性模量可達(dá)到 73 000 N/mm2，且吸水率非常低，是應(yīng)用最廣泛的一類纖維增強(qiáng)體[6]。相對(duì)于普通的PP材料，玻璃纖維增強(qiáng)PP由于具有更好的機(jī)械性能，在高溫、高濕環(huán)境下仍能保持良好的力學(xué)性能，同時(shí)具有耐化學(xué)藥品性、氣體阻隔性和耐油性，而且具有無毒、不生銹等優(yōu)良性能，能夠很好地代替金屬材料，用于制造汽車各種結(jié)構(gòu)件、功能件以及內(nèi)飾材料等[7]。

作者采用雙螺桿擠出機(jī)通過熔融共混復(fù)合的方法，利用增容劑的高效界面增容及微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑的快速結(jié)晶成核作用，制備了一種短玻璃纖維分布均勻、界面粘結(jié)良好的短玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能進(jìn)行了表征，以期為該復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

PP:牌號(hào)Q/SYXT0004-2014，大連西太平洋石油化工有限公司產(chǎn)；短玻璃纖維：牌號(hào)ECS13-4.5-508A，巨石集團(tuán)有限公司產(chǎn)；馬來酸酐接枝PP(PP-g-MAH)：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司產(chǎn)；硅烷偶聯(lián)劑KH-550：蓋州市恒達(dá)化工有限公司產(chǎn)；微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑：自制。

1.2 主要設(shè)備及儀器

TSE- 40型雙螺桿擠出機(jī)：螺桿長徑比40:1，螺桿直徑35 mm，南京科亞橡塑機(jī)械有限公司制；HZ50型塑料注射成型機(jī)：寧波海震塑機(jī)廠制；SX2型箱式電阻爐：沈陽市工業(yè)電爐廠制；BT-9300S型激光粒度分布儀：丹東市百特儀器有限公司制；CMT6104微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：深圳市新三思材料檢測有限公司制； DJF-20動(dòng)態(tài)沖擊分析儀：長春智能儀器設(shè)備有限公司制；ALX-D型邵爾硬度計(jì)：溫州山度儀器有限公司制。

1.3 短玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的制備

將PP、短玻璃纖維、PP-g-MAH、硅烷偶聯(lián)劑KH-550、微結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑按照一定質(zhì)量比混合均勻后加入雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，然后將切片在注射成型機(jī)上制成標(biāo)準(zhǔn)樣條用于測試，其中短玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，30%，35%，40%(相對(duì)于PP)的試樣分別標(biāo)記為1#，2#，3#，4#。螺桿擠出機(jī)各區(qū)溫度分別設(shè)定為190，210，210，210，205 ℃，機(jī)頭溫度200 ℃，熔體溫度200 ℃。

1.4 分析測試

灰分：采用SX2型箱式電阻爐測試，溫度為750 ℃，煅燒時(shí)間2 h，重復(fù)10次，取平均值。

長度平均徑：采用BT-9300S型激光粒度分布儀測試經(jīng)電阻爐煅燒后的灰分試樣，重復(fù)10次，取平均值。

懸臂梁式?jīng)_擊強(qiáng)度：按照GB/T 1843—2008，采用DJF-20動(dòng)態(tài)沖擊分析儀，對(duì)寬為8 mm、厚為4 mm、長為80 mm的有缺口試樣進(jìn)行沖擊強(qiáng)度的測試，擺錘能量為5.5 J。

拉伸性能：采用SANS型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 1040—2006測試。試樣寬度為10 mm，厚度為4 mm，原始標(biāo)距為80 mm；拉伸速度為100 mm/min。

硬度：采用邵爾硬度計(jì)A測試，重復(fù)10次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合材料的灰分與長度平均徑

由表1可知：試樣的灰分含量與其玻璃纖維的含量基本相同，說明制備得到的復(fù)合材料中的玻璃纖維含量符合預(yù)期；隨著玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料中玻璃纖維的長度平均徑有所減小。這是因?yàn)楫?dāng)短玻璃纖維含量增大時(shí)，熔體的流動(dòng)性變差，短玻璃纖維在體系內(nèi)相互作用增強(qiáng)，或者說纏結(jié)傾向增大，受到的剪切程度更大而受到破壞，所以短玻璃纖維的長度平均徑變小。

表1 試樣的灰分與長度平均徑Tab.1 Ash content and length mean diameter of samples

2.2 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

由圖1可以看出：隨著短玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度先急劇增加，當(dāng)短玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到30%，40%時(shí)，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到5.6，5.8 kJ/m2，與純PP沖擊強(qiáng)度相比分別提高了167%，174%；同時(shí)還可看出，當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)，其沖擊強(qiáng)度的增長出現(xiàn)了放緩的趨勢。這主要是因?yàn)椴ＡЮw維含量較低時(shí)，隨著玻璃纖維含量的增加，玻璃纖維在復(fù)合材料中吸收傳遞外界給予復(fù)合材料的沖擊能量增大，所以復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度急劇增加，而當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%時(shí)，復(fù)合材料體系中玻璃纖維長度平均徑減小、含量增大，分散效果變差，所以隨著玻璃纖維含量的進(jìn)一步增加，玻璃纖維繼續(xù)吸收傳遞沖擊能量的能力減小，因而復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度增加幅度趨緩。

圖1 復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與玻璃纖維含量的關(guān)系Fig.1 Relationship between glass fiber content and impact strength of composite

2.3 復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

由圖2可知，隨著短玻璃纖維含量的增加，短玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加，當(dāng)短玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到64.39 MPa，與純PP相比提高了74%。這是因?yàn)楦邚?qiáng)度玻璃纖維在復(fù)合材料中起到了骨架作用，可以幫助PP基體承擔(dān)載荷，這些玻璃纖維的抽出或斷裂，需要更大的載荷；同時(shí)也可以利用基體樹脂的塑性流動(dòng)性及其與纖維的粘結(jié)性來傳遞應(yīng)力所致。

圖2 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度與玻璃纖維含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between glasss fiber content and tensile strength of composite

2.4 復(fù)合材料的硬度

由圖3可以看出，隨著短玻璃纖維含量的增加，短玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的硬度隨之增加，當(dāng)短玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料硬度為85，與純PP相比提高了11%。這是因?yàn)殡S著短玻璃纖維含量的增加，玻璃纖維間的PP基質(zhì)層變薄，樹脂的形變受到玻璃纖維的約束，因而復(fù)合材料硬度提高。

圖3 復(fù)合材料硬度與玻璃纖維含量的關(guān)系Fig.3 Realationship between glass fiber content and composite hardness

3 結(jié)論

a. 隨著短玻璃纖維含量的增加，復(fù)合材料體系中玻璃纖維長度平均徑減小。

b. 隨著短玻璃纖維含量增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度都大幅度增加，硬度有所增加。當(dāng)短玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，短玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合拉伸強(qiáng)度為64.39 MPa，與純PP相比提高了74%；其沖擊強(qiáng)度為5.8 kJ/m2，與純PP相比提高了174%；其硬度為85，與純PP相比提高了11%。

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Preparation and mechanical properties of polypropylene composite reinforced with short glass fiber

Ji Xinyu1， Wang Liyan1，Song Jingxing2，Teng Wenqi1，Tian Maolin1，Xin Chao1

(1.SchoolofPetrochemicalEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Liaoyang111003;2.SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity，Dalian，116034)

Polypropylene(PP) composite reinforced with short glass fiber were prepared on a twin screw extruder by melt blending process. The glass fiber length of the composite system was measured by laser particle size distribution instrument. The main mechanical properties of the composite were characterized.The result showed that the length mean diameter of short glass fiber in the composite reduced with the increment of glass fiber content; the tensile strength, impact strength, hardness of the composite increased greatly as the content of short glass fiber increased; when the short glass fiber content was 40% by mass fraction, the tensile strength of the short glass fiber reinforced PP composite was 64.39 MPa with a growth of 74%, the impact strength was 5.8 kJ/m2with a growth of 174%, the hardness was 85 with a growth of 11% as compared with those of pure PP.

polypropylene; glass fiber; composite; mechanical property

2017- 04-15； 修改稿收到日期：2017- 05-17。

季新宇(1995—)，男,本科在讀,專業(yè)為高分子材料與工程。E-mail：397022203@qq.com。

沈陽工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(188)。

TQ325.1+4

A

1001- 0041(2017)03- 0049- 03