PP复合材料的力学性能的研究

PP复合材料的力学性能的研究摘要：PP/CaCO3复合材料,PP/LCP复合材料,ＰＰ木塑复合材料对力学性能进行分析。关键词:PP/CaCO3复合材料,PP/LCP复合材料,ＰＰ木塑复合材料,力学性能。前言聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而得到的高分子化合物。由于其原料丰富，合成工艺比较简单，与其他通用热塑性塑料相比，PP具有相对密度小、价格低、加工性好以及综合性能较好等特点，其屈服强度、拉伸强度、表面硬度及弹性模量均较优异，并有突出的耐应力开裂性和耐磨性，因而在汽车工业、家用电器、建筑行业等多方面得到广泛的应用。但PP也存在低温脆性、韧性差以及机械性能较低、成型收缩率大等缺点，因此在应用上作为结构材料使用时受到了很大限制。为了扩大PP的应用范围并降低成本，必须对PP进行一定的改性。PP/CaCO3复合材料试样制备（1）将微米CaCO3和纳米CaCO3分别放入干燥箱中烘干。（2）使用适量的钛酸酯偶联剂对CaCO3进行表面处理，并分别将表面处理前和表面处理后的CaCO3与PP按照一定的质量配比在高速混合机中混合，得到CaCO3与PP的初步混合物。（3）将CaCO3与PP的初步混合物，放在双螺杆挤出机上塑化挤出，挤出物经过水槽冷却后，再经过风干装置初步吹干，最后通过切粒机切断造粒。（4）将制得的PP复合材料粒料烘干后，用注塑机注射出标准拉伸和冲击试样。CaCO3含量对PP/CaCO3复合材料力学性能的影响从图3和图4中微米和纳米CaCO3粒子填充PP复合材料的力学性能可以看出，经表面处理的纳米CaCO3与微米CaCO3填充PP后，复合材料的力学性能趋势基本相同。复合材料的拉伸强度和冲击强度随着填充粒子含量的增加，先增大后减小。当用纳米CaCO3填充时，最大值出现在CaCO3含量为6%处，拉伸强度比PP基体提高22%，冲击强度比PP基体提高90%；而用微米CaCO3填充时，最大值出现在CaCO3含量为4%处，但此时的拉伸强度和冲击强度比PP基体增加不大。从而可知，纳米CaCO3的填充改性效果明显好于微米CaCO3的填充改性效果，这说明纳米CaCO3与PP树脂具有一定程度的相容性，能起到增强增韧的效果，这一点与微米级的CaCO3有明显的区别。从图3和图4中还可以看到，随着CaCO3含量的增加，复合材料的拉伸强度和冲击强度增大，在峰值过后，复合材料的力学性能都在下降，但添加纳米CaCO3复合材料的下降幅度比添加微米CaCO3的大得多。这是由于当纳米CaCO3含量较小的时候，纳米粒子在PP中的分散效果比较好。此时，随着在基体中能良好分散开的CaCO3粒子增加，体系中起到应力集中点的颗粒增加。而且纳米粒子的比表面积大，能引发更多的银纹吸收能量，因而材料的力学性能增高幅度大。但在纳米CaCO3添加量较多时，由于高的表面能的作用，纳米粒子难以在基体树脂中均匀分散，粒子间也容易发生团聚，从而造成复合材料的冲击强度和拉伸强度下降快的趋势。PP/LCP复合材料试样的制作方法PP/LCP以重量百分比:100/0,80/20,60/40,40/60,20/80,0/100的比例用单螺杆挤出机((株)东洋精机制作所制)进行混合。混合条件:出口温度230℃,螺杆转速150rpm。混合后,使用注射成形机(日本制钢(株)制,J75SS2)制成JIS1号哑铃板状型试验片(如图1:平行部60mm,宽10mm,厚2mm)。成形条件:注射出口温度200℃,模具温度40℃,射出速度22cm3/s,射出压力56.4MPa,冷却时间20s。抗拉特性及破坏特征图5为各配比试样拉伸实验下的标称应力-应变曲线。在室温条件下,PP为典型的延性材料,在发生初期的屈服后产生缩颈并随着缩颈部的延伸应变也不断增大。而LCP则为典型的脆性材料,虽然破坏强度较高(97MPa),但应变仅仅在2～3%范围内便发生破断。这二种性能完全不同的材料复合后,从整体来看随着LCP量的增加试样的破坏强度上升,而破断时的应变量则呈下降倾向。当LCP量大于60%以后,因复合材料的基体由PP转变为脆性的LCP,PP的存在使LCP的强度得不到充分的发挥。如:LCP=60%时,复合材料的强度约为LCP的50%左右,LCP达到80%时,其强度仅为LCP的66%左右,同时应变量也降到最小值,PP相的存在对材料的延性特性的改善不仅没有帮助,反而成为软弱相造成材料的强度大幅度下降。所以在以LCP相为基体时PP的加入对材料的延性及强度特性均带来不良影响。此外还可以看出,微量的LCP的加入也使PP的延性特性产生大幅度下降,试样在产生屈服,即LCP含量较少时(如20%),应变的低下较大而强度的上升却很小。这是值得注意的问题点。但作者对此材料采用塑性加工处理后得到了与PP几乎相当的延性性能,这为解决复合材料延性下降的问题提供了新的途经。从图6的破断面(PP/LCP=80/20,60/40,40/60)的状况可以得知,LCP在40%以下时,试样的破坏伴随着增强剂LCP的断裂破坏,而不是单纯地从PP基体中被抽出。这说明增强剂LCP与基体相PP之间有着较强的粘着力,在拉伸过程中起到了增强的作用。本实验虽然未进行相溶化处理,但从上述的热膨增强剂特性可知,PP材有着比较大的热膨胀率,而增强剂LCP的热膨率为零,因此在高温注射成形后的冷却过程中,基体PP产生较大的收缩将不发生收缩的LCP相紧紧抱住,增加了两相的粘着强度。LCP在60%以上时,基体由PP转变为脆性相LCP,破坏主要为LCP相的断裂所至。ＰＰ木塑复合材料以ＰＰ作为塑料基体，以木粉作为填料，并加入添加剂，用挤出成型法制备了高份额木粉填充的ＰＰ－ＷＰＣ，研究配方中的增韧剂和相容剂等对ＰＰ－ＷＰＣ力学性能的影响。增韧剂对ＰＰ－ＷＰＣ的改性作用未经增韧改性的ＰＰ－ＷＰＣ冲击强度较低，脆性较大，耐低温性能差，缺乏实用价值。本文分别以ＥＰＤＭ和ＰＯＥ为增韧剂按表１配方制备了木粉含量高达７０％的增韧改性ＰＰ－ＷＰＣ。表１中的配方Ａ１至Ａ４是以ＥＰＤＭ为增韧剂的配方，配方Ｂ１至Ｂ４是以ＰＯＥ为增韧剂的配方，Ａ０为不含增韧剂的配方。测定制得的ＰＰ－ＷＰＣ的力学性能，结果见图１至图３。图１所示为增韧剂加入量对ＰＰ－ＷＰＣ简支梁无缺口冲击强度的影响。由图１可见，随着增韧剂用量增加，ＷＰＣ的冲击强度持续增加，表明增韧剂对改善ＰＰ－ＷＰＣ的韧性具有显著效果。这是因为增韧剂的加入一方面降低了ＰＰ的结晶度，减少了其脆性；另一方面，增韧剂为弹性体，在ＷＰＣ受力时，能通过形变将力消耗吸收，防止裂纹产生而破坏材料，因而改善了ＷＰＣ的冲击性能［４－５］。由图１还可见，加入增韧剂的量相同时，ＰＯＥ在改善ＷＰＣ冲击性能上要优于ＥＰＤＭ。这可能是由于ＰＯＥ的侧己基长于侧甲基，在分子链间起到一种联结、缓冲作用，减少银纹因受力发展成裂纹的缘故［６］。图２所示为增韧剂用量对ＷＰＣ弯曲强度的影响。由图２可见，随着增韧剂用量的增加，ＷＰＣ的弯曲强度降低。这是因为随着增韧剂用量的增加，塑料基体ＰＰ的结晶度降低，再加上本身增韧剂的强度就比ＰＰ低，从而导致ＷＰＣ的弯曲强度不断降低［４－５］。由图２还可见，加入增韧剂的量相同时，ＰＯＥ对ＷＰＣ弯曲强度降低的影响比ＥＰＤＭ小。图３所示为增韧剂用量对ＷＰＣ弯曲模量的影响。由图３可见，随着增韧剂用量的增加，ＷＰＣ的弯曲模量也降低。其原因一方面是因为增韧剂降低了塑料基体ＰＰ的结晶度，从而降低了基体的刚性，另一方面，增韧剂本身的模量就比ＰＰ低得多。由图３还可见，加入等量增韧剂时，ＰＯＥ对ＷＰＣ弯曲模量降低的影响比ＥＰＤＭ小。综合图１－３可知：ＰＯＥ对ＷＰＣ的增韧效果优于ＥＰＤＭ，如果要保证ＰＰ－ＷＰＣ具有较高的弯曲强度和模量，增韧剂的加入量不能太大。相容剂对ＰＰ－ＷＰＣ的改性作用由于木粉表面存在很多羟基，具有很强的极性，亲水性很强，因此木粉与非极性的ＰＰ难以相容，如果直接混合制得的ＰＰ－ＷＰＣ的力学性能将很差，因此，本文选用ＭＡＰＰ作为相容剂，按表２配方，用挤出成型法制备了不同ＭＡＰＰ含量的ＰＰ－ＷＰＣ，测定了其力学性能，以研究ＭＡＰＰ改善木粉与ＰＰ界面相容性的效果，结果见图４至图６。图４为ＭＡＰＰ加入量对ＷＰＣ弯曲强度的影响。由图４可见，随着ＭＡＰＰ含量增加，ＷＰＣ的弯曲强度得到了显著提高，当ＭＡＰＰ加入量从０（不加ＭＡＰＰ）增加至８％时，ＷＰＣ的弯曲强度从２６．６３ＭＰａ增加至４６．２８ＭＰａ，弯曲强度增加了７５％。这是因为接枝在ＭＡＰＰ上的马来酸酐基能与木粉上的羟基反应形成了酯键，而ＭＡＰＰ上的ＰＰ基能与塑料基体ＰＰ相容，从而改善了极性的木粉与非极性的ＰＰ界面相容性［７］。但是，当ＭＡＰＰ加入量超过８％后，ＷＰＣ的弯曲强度开始随着ＭＡＰＰ加入量增加而降低，这是因为ＭＡＰＰ的分子量显著小于ＰＰ，过多地加入ＭＡＰＰ会使塑料基体的强度降低，最终导致ＷＰＣ的弯曲强度降低［８］。这表明，在实验条件下，提高ＷＰＣ弯曲强度所需的ＭＡＰＰ量最佳值为８％。图５所示为ＭＡＰＰ加入量对ＷＰＣ弯曲模量的影响。由图４可见，随着ＭＡＰＰ含量增加，ＷＰＣ的弯曲模量也得到了显著的提高，但当ＭＡＰＰ的加入量超过８％后，弯曲模量开始降低，其变化趋势与弯曲强度的变化趋势一致，其原因也与ＷＰＣ的弯曲强度先升后降的变化原因相同。图６所示为ＭＡＰＰ加入量对ＷＰＣ冲击强度的影响。由图６可知，随着ＭＡＰＰ含量增加，ＷＰＣ的冲击强度也是先升后降。冲击强度增加也是因为ＭＡＰＰ的加入改善了木粉与ＰＰ界面的相容性，ＭＡＰＰ含量趋过８％以后冲击强度降低也是因为加入过多的分子量较小的ＭＡＰＰ使塑料基体的强度降低了。参考文献：[1]张志洪，PP/CaCO3复合材料的力学性能研究，塑料制造[J].2007,150:46,48.[2]邱建辉,川越诚,森田干郎,水野渡,PP/LCP复合材料的物性及力学特性,复合材料学报[J].2001,4:7~9.[3]蔡培鑫,吕群,梁梦杰,曹志海,羊海棠.挤出成型ＰＰ木塑复合材料的力学性能与改性研究,化工新型材料[J].2012,7:74~76.