相容劑添加量對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯性能的影響

李文龍，金江彬，張 挺，金喆琬，李博弘

(1.浙江明江新材料科技有限公司，浙江 臺(tái)州 318026； 2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱 150040)

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相容劑添加量對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯性能的影響

李文龍1，金江彬1，張 挺1，金喆琬1，李博弘2

(1.浙江明江新材料科技有限公司，浙江 臺(tái)州 318026； 2.黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院，哈爾濱 150040)

通過在2 kg玻纖增強(qiáng)聚丙烯(PP)配方基礎(chǔ)上添加相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯20 g、40 g、60 g、80 g和100 g，探討了相容劑添加量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相容劑的加入使玻纖增強(qiáng)，PP的各項(xiàng)性能明顯改善，其中外加40 g相容劑時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到45.25 MPa，提高了78.22%；彎曲強(qiáng)度達(dá)到59.42 MPa，提高了77.16%；沖擊強(qiáng)度達(dá)到11.25 J/m2，提高了40.80%；熱變形溫度達(dá)到157.2 ℃，提高了24.17%；隨著相容劑PC-1添加量的增加，材料的熔融指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

馬來酸酐接枝聚丙烯；玻纖增強(qiáng)聚丙烯；相容劑；添加量

纖維增強(qiáng)塑料是目前最有發(fā)展前景的材料之一，主要包括纖維增強(qiáng)熱固性材料和纖維增強(qiáng)熱塑性塑料[1，2]。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)大范圍地使用纖維增強(qiáng)熱塑性塑料，而作為使用范圍最廣的聚丙烯塑料，其玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料使用最為廣泛[3-5]。然而，非極性的聚丙烯很難與極性玻璃纖維材料形成良好的界面結(jié)合力，兩者一起使用性能往往達(dá)不到要求。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的報(bào)道屢見不鮮，包括纖維表面官能團(tuán)處理[6]、添加相容劑[7]及增加玻纖長(zhǎng)度[8]等。只有界面結(jié)合力的提高，材料的各方面性能才會(huì)得到改善。

本文通過變化相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯的用量，通過控制聚丙烯用量、工藝加工條件、玻璃纖維用量等限制條件，探討相容劑用量對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的流動(dòng)性、力學(xué)性能和耐熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

聚丙烯，K8009，中韓(武漢)石油化工有限公司，熔指8.5 g/10 min；聚丙烯，K8050，臺(tái)灣化學(xué)纖維股份有限公司，熔指45 g/10 min；玻璃纖維，998A，巨石集團(tuán)有限公司；馬來酸酐接枝聚丙烯，PC-1，能之光新材料科技股份有限公司，接枝率1%；抗氧劑，1010，新秀化學(xué)(煙臺(tái))有限公司；輔助抗氧劑，168，新秀化學(xué)(煙臺(tái))有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH-550，合肥宇創(chuàng)新材料科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)配方

具體試驗(yàn)配方如表1所示。

表1 試驗(yàn)配方

1.3 試驗(yàn)工藝

使用高速攪拌機(jī)將以上配方分別混合(玻璃纖維除外)，放入雙螺桿擠出機(jī)內(nèi)，螺桿轉(zhuǎn)速和喂料速度固定，玻璃纖維通過自行設(shè)計(jì)的浸漬槽，料條經(jīng)水冷造粒。成型的粒子在100 ℃干燥箱內(nèi)干燥2 h，經(jīng)注塑機(jī)注塑為標(biāo)準(zhǔn)試樣條。

1.4 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Test items and standards

2 結(jié)果與討論

2.1 控制變量條件的確定分析

表3給出了6個(gè)配方的灰分及密度數(shù)據(jù)。通過表3可以看出，在相同工藝條件下，玻纖的含量是比較穩(wěn)定的，密度也是基本恒定的，可以保證除相容劑PC-1的變化外，其他材料不影響復(fù)合材料性能，有利于后續(xù)探討相容劑添加量對(duì)復(fù)合材料性能的影響。其中配方5和配方6在擠出過程中容易斷料，綜合考慮加工難度和生產(chǎn)成本，相容劑PC-1的加入量不易過多。

表3 復(fù)合材料灰分和密度Tab.3 The ash and density of composites

2.2 相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP熔融指數(shù)影響分析

圖1是不同相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP熔融指數(shù)(以下簡(jiǎn)稱熔指)的影響變化曲線。從圖1中可以看出，隨著相容劑PC-1加入量的增加，復(fù)合材料熔指呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因可通過Darcy定律進(jìn)行解釋，Darcy定律具體表達(dá)式為公式：

其中，Q為流量，μ為熔體黏度，K為毛細(xì)管滲透率，Δp為所施加的壓力，L為毛細(xì)管的長(zhǎng)度，A為毛細(xì)管的橫截面積。

根據(jù)Darcy定律可知，在壓力和溫度相同的條件下，K、Δp、L和A均是定值，熔指可表達(dá)為流量Q，與熔體黏度μ成反比，即熔指的下降表明熔體黏度的增加。隨著相容劑PC-1添加量的增多，PP樹脂基體熔體與玻璃纖維之間的界面結(jié)合力提高，玻璃纖維在樹脂內(nèi)的分散更加均勻，兩相之間界面結(jié)合力增加[9-11]，熔體黏度增加。

圖1 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP熔融指數(shù)的影響Fig.1 The change curve of melt index with adding different amount of PC-1

2.3 相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP力學(xué)性能影響分析

2.3.1 對(duì)玻纖增強(qiáng)PP拉伸性能影響分析

圖2、圖3和圖4是不同相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和斷裂伸長(zhǎng)率的影響變化曲線。從圖2中可以看出，相容劑PC-1加入量增多，增強(qiáng)PP材料的拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，添加增多拉伸強(qiáng)度趨于平緩，誤差波動(dòng)較小。當(dāng)相容劑PC-1加入40 g時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到45.25 MPa，提高了78.22%。與圖1熔指變化曲線相互印證，可知引入相容劑PC-1，PP基體與增強(qiáng)相玻璃纖維獲得了良好的界面結(jié)合力，破壞這種微觀界面結(jié)合力需要更大的宏觀外作用力，所以拉伸強(qiáng)度增加；相容劑PC-1加入量為40 g時(shí)，拉伸模量為2 257 MPa，提高了11.68%，原因基本同拉伸強(qiáng)度變化的原因相同，界面結(jié)合力的提高，需要更大的能量才能使材料發(fā)生斷裂，從而拉伸模量提高。

圖2 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 The change curve of tensile strength with adding different amount of PC-1

圖3 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP拉伸模量的影響Fig.3 The change curve of tensile modulus with adding different amount of PC-1

圖4 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.4 The change curve of elongation at break with adding different amount of PC-1

圖4為斷裂伸長(zhǎng)率的變化曲線，斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，誤差波動(dòng)較小。其中相容劑PC-1加入量為40 g時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率為4.09，下降了67.69%。原因主要在于玻纖與PP樹脂之間界面結(jié)合力提高，分子鏈段的運(yùn)動(dòng)能力受限，不能發(fā)生或發(fā)生較少的取向結(jié)晶，從而使材料缺陷增多，容易發(fā)生斷裂。

2.3.2 對(duì)玻纖增強(qiáng)PP彎曲性能影響分析

圖5和圖6是不同相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的影響變化曲線。從圖5和圖6中可以看出，相容劑PC-1加入量增多，增強(qiáng)PP材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量均呈上升趨勢(shì)。當(dāng)相容劑PC-1加入40 g時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到59.42 MPa，提高了77.16%；彎曲模量達(dá)到2 405 MPa，提高了12.7%。與拉伸性能相比對(duì)可知，彎曲性能的提高主要原因還是在于玻纖與PP樹脂之間界面結(jié)合力的提高，分子鏈段發(fā)生位移和滑移的能量需要更大，從而使彎曲強(qiáng)度和彎曲模量都有提高。

圖5 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP彎曲強(qiáng)度的影響Fig.5 The change curve of bending strength with adding different amount of PC-1

圖6 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP彎曲模量的影響Fig.6 The change curve of bending modulus with adding different amount of PC-1

2.3.3 對(duì)玻纖增強(qiáng)PP沖擊性能影響分析

圖7是不同相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP沖擊強(qiáng)度的影響變化曲線。從圖7中可以看出，相容劑PC-1加入量增多，增強(qiáng)PP材料的沖擊強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)相容劑PC-1加入40 g時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到11.25 kJ/m2，提高了40.8%。沖擊強(qiáng)度的根本原因在于玻纖和PP樹脂之間界面結(jié)合力提高，玻纖在樹脂內(nèi)分散更為均勻，應(yīng)力分散更加均勻，材料發(fā)生應(yīng)力集中開裂的可能性變小，從而使材料的沖擊性能得到提高。

圖7 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP沖擊強(qiáng)度的影響Fig.7 The change curve of impact strength with adding different amount of PC-1

2.4 對(duì)玻纖增強(qiáng)PP受熱性能影響分析

圖8是不同相容劑PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP熱變形溫度的影響變化曲線。從圖8中可以看出，相容劑PC-1加入量增多，增強(qiáng)PP材料的熱變形溫度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)相容劑PC-1加入40 g時(shí)，熱變形溫度157.2 ℃，提高了24.17%。熱變形溫度的提高，說明了材料分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力受限，外部需要更多的能量使材料發(fā)生塑性形變。

圖8 PC-1加入量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP熱變形溫度的影響Fig.8 The change curve of thermal deformation temperature with adding different amount of PC-1

3 結(jié)論

第一，通過控制加工工藝可控制玻纖含量的穩(wěn)定，對(duì)探討相容劑PC-1添加量的影響提供依據(jù)。

第二，通過Darcy定律，解釋了相容劑PC-1加入量增加熔指下降的原因，并通過該原因解釋了復(fù)合材料力學(xué)性能變化的原因。

第三，綜合考慮生產(chǎn)難度和成本，建議相容劑PC-1的加入量不易過多，最好不要超過總含量的5%。相容劑PC-1加入量為40 g時(shí)，性能較為優(yōu)越，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度分別提高了78.22%、77.16%和24.17%。

[1] 栢孝達(dá).我國(guó)的不飽和樹脂工業(yè)[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2001，(06)：25-29.

[2] 李挺，高莉，秦杰，等.長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的研究[J].廣東化工，2014， 41(7)：125-127.

[3] 段召華，付祥，陳弦，等.長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯[J].高分子材料科學(xué)與工程, 2010，(04)：124-126.

[4] 王德禧.聚丙烯實(shí)用化技術(shù)進(jìn)展[J]. 塑料工業(yè)，2004，(02)：1-5.

[5] 黃河，李磊，方偉，等.聚丙烯復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].合成材料老化與應(yīng)用，2016，(02)：68-71

[6] 陳現(xiàn)錦，岳云龍，于曉杰，等.界面改性方法對(duì)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2008，(01)：14-16.

[7] 黎敏，陳一民，陳如意，等.高性能玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料的研制及應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2014，(09)：113-117.

[8] 林龍，屠嵩濤.用于長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)的聚丙烯樹脂市場(chǎng)情況及前景分析[J].玻璃纖維，2016，(06)：41-46.

[9] 劉立洵，李俊偉，張志謙，等.玻璃纖維/聚丙烯復(fù)合材料界面研究[J].材料科學(xué)與工藝，2000，(02)：105-107.

[10] 邵靜波，劉濤，張師軍.PP-g-MAH對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)PP的影響[J].合成樹脂及塑料，2006，(04)：50-53.

[11] 張志謙，龍軍，劉立洵，等.玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料界面改性研究[J]. 宇航材料工藝，2002，(04)：28-31.

Influence of compatibilizer content on the glass fiber reinforced polypropylene materials

LI Wen-long1, JIN Jiang-bin1, ZHANG Ting1, JIN Zhe-wan1, LI Bo-hong2

(1.Zhejiang Mingjiang New Material Technology Co., Ltd, Taizhou 318026, China; 2.Institute of Petrochemistry, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150040, China)

Adding 20g, 40g, 60g, 80g and 100g maleic anhydride grafted polypropylene in the glass fiber reinforced polypropylene materials, and discussing the influence of compatibilizer content on the glass fiber reinforced polypropylene materials. The results showed that its various performances have improved significantly. And added with 40g compatibilizer, its tensile strength reached to 45.25MPa and increased by 78.22%, bending strength reached to 59.42MPa and increased by 77.16%, impact strength reached to 11.25J/m2 and increased by 40.80% and the thermal deformation temperature reached to 157.2 ℃ and increased by 24.17%. However, the melt index of materials decreased with adding of compatibilizer PC-1.

Maleic anhydride grafted polypropylene; Glass fiber reinforced polypropylene; Compatibilizer; Addition amount

2017-03-02

浙江省臺(tái)州市黃巖區(qū)科學(xué)技術(shù)局重大項(xiàng)目“長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性樹脂關(guān)鍵技術(shù)研究”

李文龍(1989-)，男，碩士，工程師。

TQ327

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1674-8646(2017)08-0045-03