碳纖維自行車用硼酸鎂晶須聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

定 茜

（西安醫(yī)學(xué)院，陜西西安710021）

近代以來，復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能被廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空、航天、醫(yī)療、化工、機械制造等領(lǐng)域[1]。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)合材料可以用來制造發(fā)動機架、汽車車身、傳動軸、受力構(gòu)件等。在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料可以用來制造航天飛機結(jié)構(gòu)件、太陽能電池翼和外殼、大型運載火箭的殼體、衛(wèi)星天線及其支撐結(jié)構(gòu)、飛機機翼和前機身、發(fā)動機殼體等。此外，復(fù)合材料還可以用來制造體育運動器件，如碳纖維自行車材質(zhì)、跳高用橫桿等并且可以作為建筑材料應(yīng)用于建筑領(lǐng)域[2]。

1 實驗試劑與儀器

1.1 實驗試劑

硼酸鎂晶須，聚丙烯，尼龍6，二甲基亞砜，丙酮(分析純)，偶氮二異丁腈(AIBN)，硼酸酯偶聯(lián)劑BE-1，自制硼酸酯偶聯(lián)劑BE-2，自制硼酸酯偶聯(lián)劑SPE-1，硼酸酯偶聯(lián)劑SB-181，無水乙醇(分析純)，甲苯(分析純)，蒸餾水自制過氧化苯甲酰(BPO)，無水乙醇(分析純)[3]。

1.2 實驗儀器

JPT-5托盤天平，F(xiàn)A2104N電子天平，WQF-520紅外光譜儀，TE-20型雙螺桿擠出機，JHP-10型注塑機，XBJJ計算機控制擺錘沖擊試驗機，SCS200智能切粒機，JSM-7500F型掃描電子顯微鏡，DHT攪拌恒溫電熱套，SHB-III(A)型循環(huán)水多用真空泵，ZWK1302-2型熱變形溫度測定儀，DZ-1A型真空干燥箱，KQ-B超聲清洗器，WSM-20KN微機控制電子萬能試驗機[4]。

2 實驗方法

2.1 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的制備

以聚丙烯(PP)為基體，以硼酸鎂晶須為增強材料，制備硼酸鎂晶須復(fù)合材料。按照硼酸鎂晶須含量分別為20%、25%、30%和35%的配比，以硼酸鎂晶須(未改性的和經(jīng)過改性的)為填充料，與聚丙烯(PP)混合，在適當(dāng)?shù)臏囟群娃D(zhuǎn)速下在雙螺桿擠出機中擠出，通過水槽冷卻[5]，然后在切粒機上造粒，造出的粒子經(jīng)過烘干，再由注塑機注射樣條，制取以供測試的標準樣條。

2.2 復(fù)合材料性能的測試

（1）拉伸性能測試

采用標準GB/T 1040-92進行拉伸性能測試。樣品總長度(L)是180mm，中間平行段的長度(L1)是（55±0.5）mm，標距(L0)是（50±0.5）mm，夾具間距離(L3)是（115+5）mm，中間平行段的寬度(b)是（10±0.5）mm，端頭厚度(d)是2～10mm，寬度(b1)是（20±0.5mm），所制備的試樣如圖1所示[6]。

圖 1 試樣拉伸圖Fig. 1 The tensile diagram of sample

（2）沖擊性能的測試

采用標準GB/T1043-93進行沖擊性能測試。所用試樣條的尺寸是80mm×10mm×4mm。試樣的寬度(b)是板的厚度，厚度是6～10mm，所制備的試樣如圖2所示[7]。

圖2 沖擊試樣圖Fig. 2 The impact of sample diagram

（3）彎曲性能測試

采用標準GB/T 9341-2000進行彎曲性能測試。采用三點彎曲法，彎曲規(guī)定撓度是3mm，彎曲速度是2mm/min。

（4）熱變形溫度測試

熱變形溫度按GB/T 1634.2-2004進行測試。變形量為1.00mm，升溫速率50℃/h，上限溫度＜350℃。

（5）復(fù)合材料形貌表征

本實驗利用掃描電鏡，觀察材料中硼酸鎂晶須和聚合物基體之間的界面結(jié)合情況。掃描電鏡型號為日本JEOL公司生產(chǎn)的JSM-7500F型掃描電子顯微鏡[9]，配備EDAX-EDS，工作電壓為10kV，工作距離為7mm，分辨率為1nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 硼酸鎂晶須含量對拉伸強度的影響

圖3為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料拉伸強度的影響。由圖3可見，三種復(fù)合材料的拉伸強度都呈先增加后減小的趨勢，當(dāng)硼酸鎂晶須填充量為30%時，拉伸強度達到最大值[8]。BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強度比純聚丙烯提高了29.5%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了9.1%；BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料拉伸強度比純聚丙烯提高了35.2%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了13.8%。

圖3 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料拉伸強度的影響Fig. 3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of polypropylene composites

3.2 硼酸鎂晶須含量對試樣彎曲強度的影響

圖4 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料彎曲強度的影響。由圖4可以看出，當(dāng)表面處理的硼酸鎂晶須含量增加時，復(fù)合材料的彎曲強度均有明顯增加，在硼酸鎂晶須含量達到30%時有最大值出現(xiàn)[9]，BE-1改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料彎曲強度比純聚丙烯提高了40.0%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了23.5%；BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料彎曲強度比純聚丙烯提高了44.4%，比未改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料提高了27.5%。

圖4 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料彎曲強度的影響Fig. 4 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of polypropylene composites

3.3 硼酸鎂晶須含量對試樣沖擊強度的影響

圖5 為硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料沖擊強度的影響。由圖5看出，隨著硼酸鎂晶須用量的增加，材料的沖擊強度呈下降趨勢。這一變化趨勢符合晶須增強熱塑性塑料改性的一般原理。由于作為分散相的硼酸鎂晶須是剛性的，當(dāng)受到?jīng)_擊力作用時無法發(fā)生形變，也不能產(chǎn)生銀紋吸收沖擊能[10]。因為硼酸鎂晶須的剛性效應(yīng)強于聚丙烯的韌性效應(yīng)，所以會使復(fù)合材料的脆性提高，沖擊性能下降。在受到外力作用時，裂紋容易擴散到界面上，進而透過脆性的硼酸鎂晶須。這種情況下，應(yīng)該增強硼酸鎂晶須與基體界面的結(jié)合程度。由圖5還可以看出，經(jīng)過表面改性的硼酸鎂晶須所制備的復(fù)合材料沖擊強度明顯優(yōu)于未改性的硼酸鎂晶須。這是因為前者能夠與聚丙烯基體結(jié)合緊密，減小了無機填料造成的沖擊性能下降的程度，但該種聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強度要低于純聚丙烯[11]。

圖5 硼酸鎂晶須含量對聚丙烯復(fù)合材料沖擊強度的影響Fig. 5 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of polypropylene composites

3.4 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6 為BE-2改性的硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的SEM圖（晶須含量為30%）。從圖6中可以看出，硼酸鎂晶須在聚丙烯基體中有良好的分散，硼酸鎂晶須與聚丙烯界面結(jié)合緊密。說明硼酸鎂晶須經(jīng)硼酸酯偶聯(lián)劑BE-2處理后能夠被聚丙烯基體浸潤，使得硼酸鎂晶須與聚丙烯基體間有良好的界面層，可以充分發(fā)揮硼酸鎂晶須的增強作用，有助于改善硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的性能。

圖 6 硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的SEM圖(晶須含量30%)Fig. 6 The SEM diagram of magnesium borate whisker /polypropylene composite (30% of whisker content)

4 結(jié)論

硼酸酯類偶聯(lián)劑的偶聯(lián)劑在改性硼酸鎂晶須上具有較好的改性效果，同時PP/Mg-BE-1和PP/Mg-BE-2復(fù)合材料的力學(xué)性能大大優(yōu)于PP/Mg，PP/Mg-SPE-1和PP/Mg-SB-181復(fù)合材料的力學(xué)性能。隨著硼酸鎂晶須含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強度和彎曲強度逐漸增大，在晶須含量為30%時達到最大值。當(dāng)硼酸鎂晶須含量為30%時，硼酸鎂晶須/聚丙烯復(fù)合材料的綜合性能最佳，符合體育用碳纖維自行車材質(zhì)要求。