聚丙烯/CaCO3復(fù)合材料的制備及力學(xué)性能

李仕波 朱江

摘 要：在本研究中，采用不同形狀的碳酸鈣納米粒子（菱形和球形）改性等規(guī)聚丙烯（PP）。采用SEM、IZOD沖擊試驗機(jī)和多功能塑料硬度儀對復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，碳酸鈣的形態(tài)對PP基體的增韌作用起著重要作用。

關(guān)鍵詞：納米碳酸鈣；聚丙烯；力學(xué)性能

1. 引言

等規(guī)聚丙烯（PP）是一種具有優(yōu)異綜合性能的工業(yè)聚合物，由于其加工性能好、價格低廉，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，聚丙烯的廣泛應(yīng)用仍然受到其高收縮率、低模量、低溫沖擊強(qiáng)度低和相對較差的耐沖擊性的限制[1， 2]。因此，PP的增韌研究受到廣泛關(guān)注。到目前為止，主要的增韌方法有彈性體增韌[2]、剛體增韌改性[3]和成核劑改性[4]。特別是無機(jī)粒子的改性，由于其良好的剛度和經(jīng)濟(jì)效益而被廣泛研究。近年來，隨著超細(xì)碳酸鈣技術(shù)的發(fā)展，對納米碳酸鈣改性PP進(jìn)行了深入的研究[5， 6]，但是忽略了CaCO3不同形態(tài)對PP性能的影響。

在此之前，對PP/CaCO3復(fù)合材料的結(jié)晶性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，碳酸鈣的形態(tài)在PP結(jié)晶行為中起重要作用，RCC促進(jìn)了更多的β晶形成，詳細(xì)情況在另一篇論文中進(jìn)行了介紹。在本文中，主要研究了RCC和SCC對PP/CaCO3復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

2.實驗部分

2.1 原材料

等規(guī)聚丙烯（T30S）由中國石油天然氣總公司蘭州石化公司提供，熔體流動指數(shù)為2.6g/10min。

菱形碳酸鈣（RCC）由納米材料技術(shù)有限公司（中國山西芮城）提供，球形碳酸鈣（SCC）是由環(huán)境材料與修復(fù)技術(shù)重慶市重點實驗室根據(jù)Volodkin等人研究報告[7]的程序而制作。所有其他化學(xué)品和溶劑使用的分析純等級。

2.2 PP/CaCO3復(fù)合材料的制備

將不同質(zhì)量比的PP和CaCO3混合物送入轉(zhuǎn)矩流變儀（RM-200A， 哈爾濱哈普電氣技術(shù)有限責(zé)任公司），三個溫度區(qū)分別為185℃、190℃和185℃，扭矩轉(zhuǎn)速為60轉(zhuǎn)/分。然后用硫化機(jī)（XLB-400*400*2/0.25mm，青島忻城一明橡膠機(jī)

2.3 表征

用掃描電子顯微鏡（SEM） （Philips XL-3， FEI， Oregon， USA）在20kV的加速電壓下對納米顆粒的形貌及其在PP中的分散進(jìn)行了觀察。在測試前，樣品進(jìn)行表面噴金處理。

拉伸試驗是使用萬能試驗機(jī)（CMT4104， 中國深圳SANS試驗機(jī)有限公司）在50mm/min的拉伸速度下進(jìn)行的。彎曲試驗使用相同的萬能試驗機(jī)進(jìn)行，測試速度為5mm/min。無缺口沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)（ZBC2000，中國深圳SANS試驗機(jī)有限公司）上進(jìn)行的。每項性能檢測至少使用五個樣品分別進(jìn)行測試，報告取其平均值。

3. 結(jié)果與討論

3.1掃描電鏡圖像分析

圖1顯示了不同形態(tài)CaCO3顆粒及其與PP的復(fù)合物的形態(tài)。由圖1（a）和（d）可以看出，RCC納米顆粒具有更大的晶粒尺寸 （～900nm） 和其由層狀方解石組成的規(guī)則菱面體形狀；SCC納米顆粒的尺寸在400～600 nm之間，外觀呈球狀。圖1 （b）、（c）、（e）和（f）顯示了RCC和 SCC粒子均勻分散在PP中，且均與PP基體具有良好的相容性。

3.2 力學(xué)性能

為了研究CaCO3顆粒含量對PP力學(xué)性能的影響，進(jìn)行了一系列力學(xué)試驗，包括拉伸試驗、彎曲試驗機(jī)無缺口沖擊試驗。表1顯示了不同CaCO3含量的PP/CaCO3復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、彎曲強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度的變化。從表1可以看出，隨著CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增加至4%，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都逐漸降低。當(dāng)復(fù)合材料中CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過8%，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均逐漸增加。另一方面，相對于拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的變化趨勢而言，PP/CaCO3復(fù)合材料的斷裂伸長率和無缺口沖擊強(qiáng)度呈相反的變化趨勢。如表1所示，當(dāng)CaCO3的添加量為4%時，斷裂伸長率和無缺口沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最大值，而超過4%是出現(xiàn)大幅度降低。這些數(shù)據(jù)表明，不同形態(tài)的CaCO3添加PP中，均能改善其力學(xué)性能。眾所周知，碳酸鈣是一種對PP復(fù)合材料具有增韌作用的剛性粒子。通常，PP結(jié)晶物中主要為α晶型。如圖2（a）所示，α球晶尺寸大且邊界清晰[8]，在拉伸過程中會產(chǎn)生缺陷，因此導(dǎo)致PP復(fù)合材料的韌性較差。然而，隨著CaCO3顆粒的加入，PP基體中表現(xiàn)出優(yōu)異抗沖擊性能[9]的β晶體逐漸增多，見圖2（b）（c）、（d）。因此，PP復(fù)合材料的韌性得以提高。就SCC而言，其尺寸小于RCC，具有與PP基體更大的接觸面積（見圖1）。因此SCC很容易在PP基體中產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。在進(jìn)行力學(xué)測試時，由于PP基體與SCC顆粒之間的界面會形成微孔而消耗大量的能量[10]，從而有效減緩或阻止裂紋發(fā)展。因此，PP/SCC復(fù)合材料的斷裂伸長率明顯大于PP/RCC復(fù)合材料。

4. 結(jié)論

本研究采用不同形狀的碳酸鈣納米粒子（菱形體和球形）對等規(guī)聚丙烯進(jìn)行改性。結(jié)果表明，碳酸鈣的形態(tài)對PP基體的增韌作用起著重要作用。復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率隨碳酸鈣含量的增加先增大后減小，當(dāng)碳酸鈣含量在4%時，達(dá)到最大值，表現(xiàn)出良好的韌性，添加了SCC的PP復(fù)合材料尤為明顯。

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