劉太闖，靳 玲，徐冬梅，王忠光，王艷秋

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221140）

0 前言

聚丙烯（PP）密度小，產(chǎn)量大，價(jià)格低廉，性價(jià)比高，化學(xué)穩(wěn)定性好，易于加工成型和回收利用。然而，PP成型收縮率大，對(duì)缺口敏感，低溫時(shí)易開裂，沖擊性能差。隨著纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料（FRP）的出現(xiàn)，玻璃纖維（GF）增強(qiáng)PP復(fù)合材料被大量應(yīng)用于工程領(lǐng)域。但由于玻璃纖維的引入，將對(duì)原有基體材料的各項(xiàng)性能產(chǎn)生很大影響［1］。隨著玻璃纖維用量的變化，制品的力學(xué)性能也有很大的差異［2］。為了改善聚丙烯的力學(xué)性能，進(jìn)一步擴(kuò)大其使用范圍，作者通過玻璃纖維和馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）對(duì)PP的改性研究，制得了性能優(yōu)異的PP復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚丙烯 中國石化青島煉油化工有限公司；

玻璃纖維 市售；PP-g-MAH 市售。

1.2 儀器與設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī) CTE-35型，科倍隆科亞（南京）機(jī)械有限公司；注塑機(jī) 771-130F2V，東華機(jī)械有限公司；真空干燥箱 DEF-6210，上海貿(mào)德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī) GJ-7045-M，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；塑料電子萬能試驗(yàn)機(jī) AI-7000-LA，高鐵檢測(cè)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

為了研究玻璃纖維（GF）和相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）對(duì)聚丙烯（PP）力學(xué)性能的影響，制定了3組實(shí)驗(yàn)配方。

（1）第Ⅰ組為研究GF與PP／GF復(fù)合材料的質(zhì)量比對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響的實(shí)驗(yàn)配方，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)配方Ⅰ

（2）第Ⅱ組為加入相容劑PP-g-MAH，并維持PP-g-MAH與PP／GF復(fù)合材料的質(zhì)量比不變（5∶100），研究相容劑PP-g-MAH對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響的實(shí)驗(yàn)配方，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)配方Ⅱ

（3）第Ⅲ組為維持GF與PP／GF復(fù)合材料的質(zhì)量比不變（25∶100），研究相容劑PP-g-MAH與PP／GF復(fù)合材料的質(zhì)量比對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯力學(xué)性能的影響的實(shí)驗(yàn)配方，如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)配方Ⅲ

1.4 試樣的制備

1.4.1 試樣制備流程

玻璃纖維干燥處理→稱料→混合→擠出造?！稍铩嚇又苽洹阅軠y(cè)試

1.4.2 試樣制備的工藝條件

玻璃纖維120℃下干燥4h；

玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯粒料80℃下干燥2～4 h；

擠出溫度165～210℃；

注射溫度180～220℃，注射壓力50～80 MPa，螺桿轉(zhuǎn)速100～140r／min。

1.5 性能測(cè)試

拉伸性能按GB／T1040—2006測(cè)試。試樣為1A型啞鈴型試樣，拉伸速率為50mm／min；沖擊性能按GB／T1040—2006測(cè)試，試樣為1A型缺口試樣，擺錘速度為2.9m／s。

2 結(jié)果與討論

2.1 m（GF）∶m（PP＋GF）對(duì)聚丙烯力學(xué)性能的影響

2.1.1m（GF）∶m（PP＋GF）對(duì)聚丙烯拉伸性能的影響

按照第Ⅰ組配方制得各產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，如圖1所示。由圖1可見：當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，而斷裂伸長率則呈下降趨勢(shì)。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，大量的玻璃纖維在聚丙烯基體中形成三維空間交叉結(jié)構(gòu)，部分玻璃纖維會(huì)發(fā)生纏結(jié)［3］，從而使PP／GF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。在玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料中，玻璃纖維起著骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用，以承擔(dān)應(yīng)力和載荷。同時(shí)，玻璃纖維還可以促進(jìn)聚丙烯結(jié)晶，起成核劑的作用，在一定程度上提高了材料的強(qiáng)度［4］。

圖1 m（GF）∶m（PP＋GF）對(duì)PP／GF復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.1.2m（GF）∶m（PP＋GF）對(duì)聚丙烯沖擊性能的影響

按照第Ⅰ組配方制得各產(chǎn)品的沖擊性能，如圖2所示。由圖2可見：當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，其沖擊性能反而降低。這可能是由于隨著玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，材料的流動(dòng)性變差，在成型過程中造成玻璃纖維的斷裂。而且當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加后，玻璃纖維之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致其平均長度下降，降低了玻璃纖維的增強(qiáng)效果［5］。同時(shí)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會(huì)導(dǎo)致部分玻璃纖維得不到充分浸漬，聚丙烯基體與玻璃纖維界面的結(jié)合性能變差［6］。在玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料受到?jīng)_擊的過程中，玻璃纖維與聚丙烯基體脫離，而達(dá)不到增強(qiáng)的效果，從而導(dǎo)致PP／GF復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降。

圖2 m（GF）∶m（PP＋GF）對(duì)PP／GF復(fù)合材料沖擊性能的影響

2.2 相容劑PP-g-MAH對(duì)PP／GF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2.1 相容劑PP-g-MAH對(duì)PP／GF復(fù)合材料拉伸性能的影響

按照第Ⅱ組配方制得各產(chǎn)品的拉伸性能，如圖3所示。由圖3可見：當(dāng)m（GF）∶m（PP＋GF）一定時(shí)，添加了馬來酸酐接枝聚丙烯的PP／GF復(fù)合材料的拉伸性能明顯高于未添加馬來酸酐接枝聚丙烯的。這說明PP-g-MAH的使用增加了聚丙烯基體和玻璃纖維界面的結(jié)合性能，在拉伸過程中玻璃纖維不易從聚丙烯基體中拉出，同時(shí)吸收了大量的能量直至被拉斷為止，從而進(jìn)一步提高了PP／GF復(fù)合材料的拉伸性能［7］。

圖3 相容劑PP-g-MAH對(duì)PP／GF復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.2.2 相容劑PP-g-MAH對(duì)PP／GF復(fù)合材料沖擊性能的影響

按照第Ⅱ組配方制得各產(chǎn)品的沖擊性能，如圖4所示。由圖4可見：當(dāng)m（GF）∶m（PP＋GF）一定時(shí)，添加馬來酸酐接枝聚丙烯的PP／GF復(fù)合材料比未添加馬來酸酐接枝聚丙烯的PP／GF復(fù)合材料的沖擊性能降低很多。這可能是PP-g-MAH的抗沖擊性能較差。當(dāng)PP-g-MAH添加到PP／GF復(fù)合材料時(shí)，導(dǎo)致PP／GF復(fù)合材料的沖擊性能下降。

圖4 相容劑PP-g-MAH對(duì)PP／GF復(fù)合材料沖擊性能的影響

2.3 m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）對(duì)PP／GF復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.3.1m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）對(duì) PP／GF復(fù)合材料拉伸性能的影響

按照第Ⅲ組配方制得各產(chǎn)品的拉伸性能，如圖5所示。由圖5可見：隨著m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）的增大，PP／GF復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增大。當(dāng)m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）為15∶100時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較高；隨m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）繼續(xù)增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。這是由于PP-g-MAH的加入改善了PP和GF之間的相容性，其拉伸性能得到了較大的提高。但當(dāng)m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）繼續(xù)增大時(shí)，由于PP-g-MAH本身的拉伸性能不及PP的，對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的改善效果不大，并有下降的趨勢(shì)［8］。

圖5 m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）對(duì)PP／GF復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.3.2m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）對(duì) PP／GF復(fù)合材料沖擊性能的影響

按照第Ⅲ組配方制得各產(chǎn)品的沖擊性能，如圖6所示。由圖6可見：隨著m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）增大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度快速下降，然后輕微上升。當(dāng)m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）大于15%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度變化趨于平緩［9］。這是因?yàn)镻P-g-MAH本身的抗沖擊性能較差，使材料的沖擊強(qiáng)度下降；而且當(dāng)PP-g-MAH超過一定量后，其在復(fù)合材料中達(dá)到飽和狀態(tài)，多余的PP-g-MAH不再起作用，因此復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

圖6 m（PP-g-MAH）∶m（PP＋GF）對(duì)PP／GF復(fù)合材料沖擊性能的影響

3 結(jié)論

（1）玻璃纖維對(duì)聚丙烯的拉伸性能具有增強(qiáng)作用，隨著玻璃纖維與聚丙烯的質(zhì)量比增大，拉伸強(qiáng)度不斷增大。

（2）玻璃纖維對(duì)聚丙烯的沖擊性能有一定的影響。隨著玻璃纖維與聚丙烯的質(zhì)量比增大，沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

（3）相容劑PP-g-MAH能夠改善聚丙烯和玻璃纖維之間的相容性，使復(fù)合材料的拉伸性能得到很大提高。當(dāng)PP-g-MAH與聚丙烯、玻璃纖維的質(zhì)量比為15∶75∶25時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能優(yōu)異。

［1］ 申欣，孫文強(qiáng)，李艷霞，等.高抗沖玻纖增強(qiáng)聚丙烯的研制［J］.工程塑料應(yīng)用，2001，29（10）：8-10.

［2］ 李金釗.玻纖增強(qiáng)聚丙烯料的研制［J］.工程塑料應(yīng)用，1997，25（3）：13-16.

［3］ 連榮炳，徐名智，李強(qiáng)，等.玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料性能研究 ［J］.塑料科技，2008，36（8）：40-44.

［4］ 劉學(xué)習(xí)，莊輝，程勇峰，等.長玻纖增強(qiáng)PET工程塑料的性能研究 ［J］.塑料工業(yè)，2006，34（12）：26-28.

［5］ 陳民杰，張勇，張隱西.短玻纖增強(qiáng)聚丙烯的研究進(jìn)展［J］.中國塑料，2004，18（8）：1-6.

［6］ 張寧，李忠恒，陶宇，等.長玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的研究［J］.塑料工業(yè)，2006，34（12）：29-32.

［7］ 林峰，程金星，肖望東，等.充油SEBS力學(xué)性能的研究［J］.塑料工業(yè)，2006，34（6）：43-45.

［8］ 王利霞，李燕，莊衛(wèi)國.注塑工藝和玻纖含量對(duì)玻纖增強(qiáng)PP注塑制品收縮的影響 ［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2009，25（9）：135-137.

［9］ 楊詩潤，梁珊，羅筑，等.長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能研究 ［J］.塑料工業(yè)，2012，40（6）：37-40.