硬脂酸钠处理硼酸铝晶须填充聚丙烯的性能研究

1硬脂酸钠处理硼酸铝晶须填充聚丙烯的性能研究李沐，孙秋菊*，刘明建，顾闯，孙丹丹，竭继阳（沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳，110034）摘要：采用硬脂酸钠为处理剂对硼酸铝晶须进行了表面处理，并将处理后的晶须填充到聚丙烯中，研究了不同目数的晶须填充对聚丙烯拉伸性能的影响。结果如下：当相同晶须含量时，260目的筛子筛分后填充后复合材料的拉伸强度和断裂伸长率最高，分别达到了24.6MPa和5.52%，与未填充晶须的纯聚丙烯的拉伸强度和断裂伸长率相比，分别提高了32%和45%。但均过200目的筛子筛分后，10%的晶须含量时复合材料的拉伸强度最高，为21.0MPa；而2.5%的晶须含量时断裂伸长率反而最大。关键词：硬脂酸钠；表面处理；硼酸铝晶须；聚丙烯；复合材料中图分类号：TQ327.50引言无机晶须是一类针状的、具有一定长径比的单晶纤维状材料，结构完整，有较高的拉伸强度和弹性模量，近年来随着晶须的价格降低，使其成为高分子复合材料领域内的一种新型增强材料，表现出了广阔的应用前景[1-3]。然而，由于无机晶须尺寸细小，极性大，极易团聚，与有机高分子相容性很差，因此在填充前必须进行表面处理[4-5]。本文采用硬脂酸钠对硼酸铝晶须进行了表面处理，并将处理后的碳酸钙晶须填充到聚丙烯中制备了复合材料，研究了不同目数的晶须填充聚丙烯对其拉伸性能的影响。1试验部分1.1实验仪器和药品1.1.1实验仪器510PFT-IR红外光谱仪，美国Nicolet公司密炼机SU-70C：常州苏研科技有限公司(中国)硫化机350X350：郑州鑫和机器制造有限公司TWZY-24型万能制样机：吉林泰和实验机有限公司SUN1000型材料力学实验机，意大利GALDABLNI1.1.2实验药品硼酸铝晶须，长径比：0.5-1.5µm，中科院青海盐湖研究所；硬脂酸，分析纯，国药集团沈阳化学试剂分公司；聚丙烯，北京燕化石油化工股份有限公司。1.2硼酸铝晶须的表面处理将一定质量的硬脂酸倒入10ml无水乙醇中，加热至完全溶解。另取装有一定体积蒸馏水的烧杯，加热至处理温度，滴入已配好的氢氧化钠溶液，使其PH值控制在8～9之间。然后，加入已干燥的硼酸铝晶须搅拌一定时间，抽滤、洗涤并干燥，即得处理后的晶须。1.3复合材料的制备将已烘干的聚丙烯加到密炼机的密炼室中熔融7min，密炼机设置温度为210℃，转速为40转/分，再加入处理后的硼酸铝晶须混炼8min，然后出团状料。将团状料置于模具压板中加热至熔融后，放置于平板2硫化机中热压成型，热压板的温度均为200℃，压力11.5MPa，加压5min，取出后冷却脱模。将压制成的平板材料在万能制样机上裁制成力学性能测试用的哑铃型试样。1.4性能分析1.4.1红外光谱的测定采用溴化钾压片测定了处理前后硼酸铝晶须的红外光谱，研究了处理前后晶须的表面性质的差异。1.4.2拉伸性能的测定拉伸性能按照GB/T1040.1-2006《塑料拉伸性能的测定》标准测试，试样为哑铃形，试样尺寸为6.5mm×2mm，拉伸速率为50mm/min；每一组试样平行测试5次，然后求其平均值。3结果与讨论3.1硼酸铝晶须处理前后的红外光谱分析为了研究硬脂酸钠处理后对硼酸铝晶须表面性能的影响，测定了处理前后的硼酸铝晶须的红外谱图，如图1所示。图1处理前后硼酸铝晶须的红外谱图a）处理前；b）处理后由图1可看出，处理后硼酸铝晶须的谱图上2918cm-1和2851cm-1处吸收峰明显增大，2851cm-1是CH3中C-H键的对称伸缩振动特征吸收峰，2918cm-1是C-H键的不对称伸缩振动特征吸收峰；在3488cm-1处有明显的羟基吸收峰，1725cm-1处出现酯羰基吸收峰，说明硬脂酸钠与硼酸铝晶须表面的羟基形成了酯键，硬脂酸钠与硼酸铝晶须之间既有物理吸附同时也存在化学吸附。3.2不同目数的硼酸铝晶须对聚丙烯力学性能的影响将表面处理后的硼酸铝晶须经过不同目数的筛分后均2.5%晶须含量填充到聚丙烯材料中，结果如表1所示。表1相同含量不同目数的晶须填充对复合材料的拉伸性能的影响目数纯PP100140180200220240260280拉伸强度（MPa）18.621.320.120.720.621.321.024.620.4断裂伸长率（%）3.804.514.414.064.324.534.465.525.24由表1可见，将处理后的硼酸铝晶须填充到聚丙烯材料中使得拉伸强度和断裂伸长率均明显高于未填充的3纯聚丙烯。此外，硼酸铝晶须通过不同目数的筛子筛分后对聚丙烯材料的力学性能影响也不同。过260目的筛子筛分后填充的复合材料的拉伸强度和断裂伸长率最高，分别达到了24.6MPa和5.52%，相比较于未填充晶须的纯聚丙烯的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了32%和45%。这说明硼酸铝晶须填充聚丙烯起到了增强增韧的双重作用。3.3不同晶须的硼酸铝晶须对聚丙烯力学性能的影响由于目数太高的筛子导致晶须筛分难度加大，因此选择了200目筛子筛分晶须后以不同晶须含量填充到聚丙烯材料中，结果如表2所示。表1相同目数不同含量的晶须填充对复合材料的拉伸性能的影响晶须含量（%）02.55.010.015.020.025.0拉伸强度（MPa）18.620.620.121.018.917.218.1断裂伸长率（%）3.804.323.363.913.903.203.15从表2可知，相同目数不同含量的晶须填充聚丙烯后对其拉伸性能的影响也不同，拉伸强度随着晶须含量的增加呈现出先增加后减小的趋势。当晶须含量达到10.0%时，复合材料的拉伸强度达到最大值，为21.0MPa，与未填充晶须的纯聚丙烯的拉伸强度相比，提高了6.1%；而断裂伸长率则在晶须含量2.5%时最大，之后随着晶须含量的增加反而降低。4结论(1)采用硬脂酸钠对硼酸铝晶须进行表面处理，使得硬脂酸钠与硼酸铝晶须之间既有物理吸附也存在着化学吸附。（2）将处理后的硼酸铝晶须筛分后填充到聚丙烯中制备了复合材料。当相同晶须含量时，260目的筛子筛分后填充后复合材料的拉伸强度和断裂伸长率最高，分别达到了24.6MPa和5.52%，与未填充晶须的纯聚丙烯的拉伸强度和断裂伸长率相比，分别提高了32%和45%。但均过200目的筛子筛分后，10%的晶须含量时复合材料的拉伸强度最高，为21.0MPa；而2.5%的晶须含量时断裂伸长率反而最大。（3）少量硬脂酸钠处理的硼酸铝晶须填充到聚丙烯时能改善其拉伸性能，起到增强和增韧的双重作用。参考文献：[1]李武，无机晶须，北京：化学工业出版社，2005[2]孙明赫，孙秋菊，李武等，国内无机晶须填充改性高分子复合材料中的应用研究进展，2010,(9):31-35[3]胡晓兰，梁国正，硼酸铝晶须/双马来酰亚胺树脂摩擦磨损性能，复合材料学报，2004,21(6):21-27[4]胡晓兰，梁国正，贾巧英，偶联剂对硼酸铝晶须/双马来酰亚胺性能的影响，材料科学与工艺，2004,12(6):307-311[5]张修银，吴文生，田爱锋等硅烷偶联剂用量对硼酸铝晶须增强PMMA挠曲强度影响的研究，口腔医学，2009,29(9):465-4694ResearchonTensilePropertiesofPolypropylenefilledwithaluminumboratewhiskerstreatedbysodiumstearateLIMu,SUNQiu-ju*,LIUMing-jian,GUChuang,SUNDan-dan,JIEJi-yang(ChemistryandLifeScience,ShenyangNormalUniversity,Shenyang110034,China)Abstract:Aluminumboratewhiskersweretreatedbysodiumstearateassurfacetreatmentagent,andthenfilledintopolypropylenetopreparethecomposites.Thetensilepropertiesofthecompositeswereinvestigated.Theresultswereasfollows:tensilestrengthandelongationatbreakofthecompositefilledbyaluminumboratewhiskers,whichwerescreenedthrougha260meshsieve,reachedthemaximum,were24.6MPaand5.52%.Comparedwithpurepolypropylene,thetensilestrengthandelongationatbreakofthecompositeincreased32%and45%respectively.However,whenthewhiskerswerescreenedthrougha200meshsieveandfilledintopolypropylene,thetensilestrengthofthecompositecontaining10%whiskersreachedamaximumandwas21.0MPa.Theelongationatbreakofthecompositecontaining2.5%whiskerswasthebestlevel.Keywords:sodiumstearate;surfacetreatment;aluminumboratewhiskers;polypropylene;composite