玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料的性能研究

王幫進(jìn)，陳金偉，吳喜元，陳 銳，楊家祥

(中鋼集團(tuán)馬鞍山礦院新材料科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000)

聚丙烯是現(xiàn)在生活中最普通，也是最重要的通用性塑料之一。已廣泛的應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域中。玻璃纖維是一種無(wú)機(jī)非金屬材料。玻璃纖維單絲的直徑在幾微米 ～ 二十幾個(gè)微米之間，抗腐蝕、耐熱、絕緣。玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料可使原有材料的韌性、剛性以及耐久性得到大幅度的提升[1-5]。由于玻璃纖維與聚丙烯極性相差較大，表面能高，兩者相容性很差，難以得到性能優(yōu)異的材料。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)馬來(lái)酸酐接枝從而使玻璃纖維與聚丙烯很好的相容。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料及實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

PP：K8003，中韓(武漢)石油化有限公司；抗氧劑：168，巴斯夫股份公司；抗氧劑：1010，巴斯夫股份公司；EBS：星貝達(dá)(上海)化工材料有限公司；玻璃纖維：EDR14-2000-960，巨石集團(tuán)有限公司；相容劑：CMG9801，佳易容相容劑江蘇有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TSB-36型同向平行雙螺桿混煉擠出機(jī)，江蘇誠(chéng)盟裝備股份有限公司；EM80-SVP/2注塑機(jī)，震德塑料機(jī)械有限公司；懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，上海衡翼精密儀器有限公司；ZMD-1電子密度儀，上海方瑞儀器有限公司；維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀HDT/V-1104，承德市金建檢測(cè)食品有限公司；M221-C試驗(yàn)機(jī)，上海衡翼精密儀器有限公司。

1.2 樣條制備

將干燥的 PP 樹(shù)脂、 增容劑、 抗氧劑混合物從加料口加入擠出機(jī)中，玻纖通過(guò)玻纖口加入。得到不同比例含量的玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料?；炫淞贤ㄟ^(guò)雙螺桿擠出機(jī)擠出，加熱工藝溫度180～220℃，擠出后用水冷卻，干燥，切粒機(jī)切粒。粒子用注塑機(jī)制作樣條，注塑溫度為190～210℃，注塑壓力80 MPa。

1.3 性能測(cè)試

拉伸性能按 ISO527 測(cè)試； 彎曲性能按 ISO178測(cè)試； 沖擊性能按 ISO180測(cè)試；維卡軟化溫度按ISO306測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

圖1 拉伸強(qiáng)度與玻纖含量的關(guān)系

圖2 斷裂伸長(zhǎng)率與玻纖含量的關(guān)系

由圖1可以看出，材料的拉伸強(qiáng)度隨著玻纖含量的增加而升高。玻纖與玻纖之間有很多交叉點(diǎn)，這種交叉結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)合材料的骨架。當(dāng)外力作用復(fù)合材料時(shí)，這種骨架結(jié)構(gòu)能有效傳遞應(yīng)力，使較大的區(qū)域承受外力，提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

由圖2可以看出，材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨著玻纖含量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。材料的斷裂伸長(zhǎng)率與基體本身材料有關(guān)，玻纖含量增加，基體間材料的間隙變大，從而使單位截面積上基體受力變小，所以在一定程度使復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率減小。

2.2 彎曲強(qiáng)度和彎曲模量

圖3 彎曲強(qiáng)度與玻纖含量的關(guān)系

圖4 彎曲模量與玻纖含量的關(guān)系

由圖3、4可以看出，當(dāng)玻纖含量增加時(shí)，彎曲模量和彎曲強(qiáng)度都增大。當(dāng)玻纖含量達(dá)20%時(shí)，彎曲模量相對(duì)于純樣己升高三倍多，達(dá)到2700 MPa。這是由于在復(fù)合材料的任一橫截面，都有更多的玻纖來(lái)承載負(fù)荷，這些玻纖從樹(shù)脂中抽出或者斷裂，均能吸收大量的能量，因而提高了復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。同時(shí)，由于玻纖含量增加，玻纖之間的樹(shù)脂層變薄，作用在復(fù)合材料上的力很容易通過(guò)樹(shù)脂層在玻纖之前傳遞，樹(shù)脂的形變也受到玻纖的約束，因而復(fù)合材料的彎曲模量也隨之增大。

2.3 缺口沖擊強(qiáng)度

圖5 沖擊強(qiáng)度與玻纖含量的關(guān)系

隨著玻纖含量的增加，沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨著玻纖含量的增多，材料的任意橫截面上的玻纖數(shù)量增多，當(dāng)收到外力沖擊時(shí)，復(fù)合材料的應(yīng)力得到分散，使得復(fù)合材料斷裂時(shí)能夠吸收更多的能量，使得沖擊強(qiáng)度隨著玻纖含量增多而增大。同時(shí)，隨著玻纖含量的增加，玻纖與玻纖間的樹(shù)脂變薄，材料所收到的應(yīng)力更有利于向內(nèi)部傳遞，使得玻纖受力更加均勻，因而復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度得到提高。

2.4 微卡軟化溫度

圖6 維卡軟化溫度與玻纖含量的關(guān)系

隨著玻纖含量的增加，維卡軟化溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。玻璃纖維加入后，與PP分子鏈范德華力大大增加，在基體中生成無(wú)數(shù)細(xì)小的纏結(jié)交聯(lián)點(diǎn)，形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效的阻礙了PP分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使得分子鏈需要更多的能量來(lái)沖破這種阻礙。如果材料需要更多的變形量必須要更高的溫度才可以，所以維卡軟化溫度得到提高。

3 結(jié)論

(1) 復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率隨著玻纖含量的增加而減小，沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量隨著玻纖的含量增大而增大。

(2)作為填料，玻纖顯著能夠提高復(fù)合材料的維卡軟化溫度。因此玻纖增強(qiáng)聚丙烯在MPP電力管材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。