PP/POE/納米CaCO3復(fù)合材料的制備及性能研究

劉艷軍

(太原工業(yè)學(xué)院 材料工程系，山西 太原 030008)

納米CaCO3是一種重要的無機(jī)填料，由于具有價(jià)格低廉、無毒、無刺激性、無味、色澤好、白度高等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得廣泛的應(yīng)用，已廣泛用于橡膠、造紙、涂料、潤滑油等領(lǐng)域[1]。通過摻入各種無機(jī)剛性粒子增韌，可大幅度提高PP的沖擊強(qiáng)度，改善其低溫韌性。共混改性作為簡單易行的一種技術(shù)方法，廣泛應(yīng)用于聚丙烯的增韌改性[2]。選用納米碳酸鈣對(duì)PP/POE共混物進(jìn)行共混改性，對(duì)改善PP的力學(xué)性能、拓展其應(yīng)用具有特別重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料及試樣制備

將聚丙烯(中國神華煤制油化工有限公司 L5E89)、 POE(美國杜邦陶氏8105)按80∶20比例混合后，加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米碳酸鈣(山西華新納米材料有限公司)，經(jīng)高速混合后，加入到雙螺桿擠出機(jī)中，經(jīng)熔融共混、冷卻、干燥、切粒后，制成分別含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%、15%、20%、25%納米碳酸鈣的PP/POE/納米碳酸鈣共混物，然后將粒料放入注塑機(jī)制成樣品。

1.2 共混物的測試與表征

力學(xué)性能測試：沖擊強(qiáng)度按GB1043-79進(jìn)行；拉伸強(qiáng)度按GB1040-79進(jìn)行；彎曲性能測試按GB/T9341-2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，十字頭下降速度為2mm/min。

熔融指數(shù)的測試：將所測試樣充分干燥后，加入到XRZ-300熔融指數(shù)儀中，按GB-T3682-2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，溫度為230℃，載荷為2160g。

熱重分析(TG)：樣品重量在5～10mg的范圍。將試樣從室溫升至700℃，保持10min，然后恒速降溫至室溫，依次測試。

動(dòng)態(tài)流變性能采用高級(jí)擴(kuò)展流變儀進(jìn)行測試，采用控制應(yīng)變的模式。應(yīng)變設(shè)定為0.1%，測試溫度設(shè)定為200℃，頻率掃描范圍0.01rad/s-100rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3力學(xué)性能的影響

圖1 不同納米碳酸鈣含量對(duì)PP/POE/納米CaCO3拉伸強(qiáng)度的影響

圖2 不同納米碳酸鈣含量對(duì)PP/POE/納米CaCO3沖擊強(qiáng)度的影響

圖3 不同納米碳酸鈣含量對(duì)PP/POE/納米CaCO3彎曲強(qiáng)度的影響

如圖1可以看出，隨著納米CaCO3含量的增加，PP/POE/納米CaCO3共混物的常溫沖拉伸強(qiáng)度略有降低，從圖2可以看出，隨著納米碳酸鈣含量增加，PP/POE/納米CaCO3共混物的沖擊強(qiáng)度顯著提高，拉伸強(qiáng)度則由11.9kJ/m2提高至50.7kJ/m2。圖3可見對(duì)PP/POE/納米CaCO3共混體系，加入納米碳酸鈣后彎曲強(qiáng)度整體略有下降，在納米碳酸鈣含量達(dá)到15%后，彎曲強(qiáng)度基本不變。由于納米碳酸鈣表面活性高，與PP的界面接觸好，銀紋在擴(kuò)散時(shí)受到碳酸鈣的阻礙和鈍化，改善了材料的抗裂紋擴(kuò)展能力，有效抵抗了大分子的移位、錯(cuò)位，有利于材料沖擊強(qiáng)度的提高[3]。

2.2 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3加工性能的影響

2.2.1 熔體流動(dòng)速率

圖4 不同納米碳酸鈣含量對(duì)PP/POE/納米CaCO3溶體流動(dòng)速率的影響

由圖4可以看出，共混物的熔體流動(dòng)指數(shù)隨納米碳酸鈣用量的增加先上升后下降，當(dāng)納米碳酸鈣含量為15%時(shí)，熔體流動(dòng)指數(shù)達(dá)到最大值12.95g/10min。納米CaCO3粒子存在于PP分子間充當(dāng)著潤滑劑，使熔融共混物的黏流阻力減小，流動(dòng)性增加[4]。

2.2.2 熱分解溫度

圖5 不同納米碳酸鈣含量對(duì)PP/POE/納米CaCO3熱分解速率的影響

從圖5可以看出，復(fù)合材料加入納米碳酸鈣后分解溫度明顯增大，達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定。當(dāng)材料中加入少量納米碳酸鈣時(shí)，材料的分解溫度幾乎不變，隨著納米碳酸鈣含量增大，分解溫度明顯增大。

2.3 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3流變行為的影響

圖6 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3彈性模量的影響

圖7 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3黏性模量的影響

圖6可以看出，隨著剪切頻率的升高，PP/POE/納米CaCO3復(fù)合材料的彈性模量(G′)逐漸增大。在相同頻率下，隨納米碳

酸鈣含量增加，材料的彈性模量(G′)先增大后緩慢下降。納米碳酸鈣含量為5%時(shí)，彈性模量(G′)比未加入納米碳酸鈣時(shí)高，納米碳酸鈣含量大于5%時(shí)，彈性模量(G′)較未加入納米碳酸鈣時(shí)低。圖7黏性模量的趨勢與彈性模量相似。由圖8可知，隨著納米碳酸鈣填充量的增加，體系熔體的復(fù)合黏度下降的趨勢，在加入量較小時(shí)，復(fù)數(shù)黏度幾乎不變，這種趨勢在低頻區(qū)表現(xiàn)的尤為明顯[5]。

圖8 納米碳酸鈣用量對(duì)PP/POE/納米CaCO3復(fù)合模量的影響

3 結(jié)論

(1)力學(xué)性能測試結(jié)果顯示，拉伸及彎曲性能均隨納米碳酸鈣的加入略有下降，說明納米碳酸鈣的加入降低了復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能。

(2)熱重測試顯示，復(fù)合材料的分解溫度隨納米碳酸鈣的加入逐漸升高。

(3)納米碳酸鈣加入后材料的熔體流動(dòng)速率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在納米碳酸鈣含量為15%時(shí)，復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率最大。

(4)旋轉(zhuǎn)流變儀測試結(jié)果顯示，納米碳酸鈣加入后復(fù)合材料的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)均下降，但在納米碳酸鈣含量不變時(shí)，彈性模量(G′)和黏性模量(G″)隨頻率的增大而增大。