肖小兵，宋建強(qiáng)，邱文福

(江西廣源化工有限責(zé)任公司，江西吉安 331500)

聚丙烯(PP)是我們生活中應(yīng)用最廣泛、用量最大的五大熱塑性樹脂之一，PP原料來源豐富、生產(chǎn)工藝簡單、價格低廉，且具有良好的力學(xué)性能、電絕緣性能、熱性能和耐化學(xué)腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于各類注塑制品、擠出成型制品、中空制品等改性塑料領(lǐng)域[1-3]。

由于PP為結(jié)晶性聚合物，成型收縮率大、受熱時容易氧化降解，低溫脆性大，因此對PP進(jìn)行改性制成復(fù)合材料就成為了一個重要的研究課題，滑石粉擁有特殊構(gòu)型的片狀結(jié)構(gòu)，分布在PP樹脂中起到骨架支撐作用，被認(rèn)為是一種增強(qiáng)材料，被廣泛用作填充改性PP，可以改善PP的綜合力學(xué)性能、硬度、耐熱性和收縮率[4-6]。硅灰石是一種新興工業(yè)礦物材料，呈一種鏈狀偏硅酸鹽礦物，通常呈針狀、放射狀或纖維狀集合體，由于其長徑比達(dá)(15～20)∶1，補(bǔ)強(qiáng)性能、熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性能優(yōu)異，也可改善PP的物理、力學(xué)性能，在美國公布了硅灰石的無毒性后，硅灰石填充改性PP的研究越來越得到關(guān)注[7-10]，為了探討滑石粉和硅灰石粉間的差異及其在PP中的應(yīng)用性能，筆者以滑石粉和硅灰石粉作為研究對象，通過硅灰石粉逐步替代滑石粉，考察了滑石粉和硅灰石粉對PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、收縮率、熱變形溫度的影響，為廠家選用產(chǎn)品提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

PP：1120，臺塑工業(yè)(寧波)有限公司；

PP：PPK8003，中國石油獨(dú)山子石化公司；

鈣鋅復(fù)合穩(wěn)定劑：HL-45，石家莊聚源豐化工有限公司；

硬脂酸：SA1840，杭州油脂化工有限公司；

抗氧劑：B215，巴斯夫(中國)有限公司；

硅灰石：GY-6000，江西廣源化工有限責(zé)任公司；

滑石粉：HS-768，江西廣源化工有限責(zé)任公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

馬爾文激光粒度儀：3000E型，英國馬爾文儀器有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)組：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5 mm，南京杰恩特機(jī)電有限公司；

注塑機(jī)：ZX-80型，震雄集團(tuán)公司；

萬能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)：UTM型，承德金建檢測儀器有限公司；

沖擊試驗(yàn)機(jī)：ZBC1400-B型，美斯特工業(yè)系統(tǒng)(中國)有限公司；

收縮率測定儀：QMS3D-M型，廣東萬濠精密儀器有限公司；

維卡熱變形溫度測定儀：CZ-6005D型，揚(yáng)州昌哲試驗(yàn)機(jī)械有限公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：SU8010型，日本日立公司。

1.3 樣品制備

按表1中所述配方稱取原料加入到高速混合機(jī)中混料10 min，冷卻出料，再將混合好的原料加入到螺桿擠出機(jī)加工改性粒料，擠出溫度190～220 ℃，粒料采用注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行性能測試，注塑溫度為170～210 ℃。

表1 實(shí)驗(yàn)配方 份

1.4 性能測試

拉伸性能測試：按GB/T1040.1-2018測試，拉伸速率為50 mm/min；

簡支梁缺口沖擊性能測試：按GB/T1043.1-2008測試，采用2 J的沖錘，跨度40 mm；

彎曲性能測試：按GB/T9341-2008 測試；

收縮率測試：按GB/T15585-1995測試；

耐熱性測試：按GB/T1634.1-2004測試；

斷裂面形貌：樣條經(jīng)液氮淬斷后噴金，采用FESEM觀察斷面形貌并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 硅灰石和滑石粉形貌和物性

圖1為硅灰石和滑石粉的掃描電鏡照片，從圖1可以看出硅灰石呈典型的棒狀或者針狀結(jié)構(gòu)，具有較高的長徑比，滑石粉呈典型的片狀或者層狀結(jié)構(gòu)，具有較大的寬厚比，兩者都是平滑的結(jié)晶解理面，顆粒分散均勻，未觀察到明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。表2詳細(xì)列出了硅灰石和滑石粉的物理指標(biāo)，由表2可知，硅灰石GY-6000粒徑D50為4.473 μm，D97為12.97 μm，比表面積為10.06 m2/g，滑石粉HS-768粒徑D50為4.402 μm，D97為12.63 μm，比表面積為12.37 m2/g，從細(xì)度上對比滑石粉HS-768細(xì)度要比硅灰石GY-6000細(xì)，硅灰石GY-6000吸油值高于滑石粉HS-768。

圖1 硅灰石和滑石粉的掃描電鏡照片

表2 硅灰石和滑石粉的性能指標(biāo)

2.2 硅灰石含量對PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2為硅灰石含量對PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，從圖2可以看出，當(dāng)全部是滑石粉且添加量為20份時，拉伸強(qiáng)度為31.979 MPa，當(dāng)硅灰石全部替代滑石粉添加量為20份時，拉伸強(qiáng)度為29.022 MPa，隨著硅灰石對滑石粉逐步替代，PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度呈逐漸明顯下降趨勢，表明硅灰石對PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有抑制作用，這是由于硅灰石的針狀纖維結(jié)構(gòu)兩端比較光滑，與基體樹脂相容性差，當(dāng)受外力拉伸時，硅灰石比較容易從PP樹脂中拔出，而滑石粉的大片狀結(jié)構(gòu)更容易鑲嵌在PP樹脂中，與PP樹脂結(jié)合更為牢固[11-13]。

圖2 硅灰石不同份數(shù)時PP復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

2.3 硅灰石含量對PP復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

圖3為硅灰石含量對PP復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響，從圖3可以看出，當(dāng)全部是滑石粉添加量為20份時，沖擊強(qiáng)度為3.746 kJ/m2，當(dāng)硅灰石替代10份滑石粉時，沖擊強(qiáng)度提升到4.302 kJ/m2，隨著硅灰石對滑石粉替代量的繼續(xù)增加，PP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢，當(dāng)硅灰石全部替代滑石粉添加量為20份時，沖擊強(qiáng)度下降到4.045 kJ/m2。這表明纖維針狀結(jié)構(gòu)硅灰石對PP復(fù)合材料抗沖擊效果優(yōu)于片狀結(jié)構(gòu)的滑石粉，其主要原因是滑石粉的莫氏硬度為1，而硅灰石的莫氏硬度可達(dá)4.5，硅灰石莫氏硬度要遠(yuǎn)高于滑石粉，表現(xiàn)的抗沖擊性能更強(qiáng)。

圖3 硅灰石不同份數(shù)時PP復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度

2.4 硅灰石含量對PP復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響

圖4為硅灰石含量對PP復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響，從圖4可以看出，當(dāng)全部是滑石粉添加量為20份時，彎曲強(qiáng)度為49.462 MPa，當(dāng)硅灰石全部替代滑石粉添加量為20份時，彎曲強(qiáng)度為58.33 MPa，隨著硅灰石對滑石粉逐步替代，PP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈逐漸上升趨勢，表明硅灰石對PP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有貢獻(xiàn)作用，這是由于硅灰石具有較長的長徑比，當(dāng)受到外力彎曲作用后能把能量快速傳遞并分散至整個PP復(fù)合材料而被吸收，從而對提高PP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度具有較大的貢獻(xiàn)作用[14]。

圖4 硅灰石不同份數(shù)時PP復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度

2.5 硅灰石含量對PP復(fù)合材料收縮率的影響

圖5為硅灰石含量對PP復(fù)合材料收縮率的影響，從圖5可以看出，當(dāng)全部是滑石粉且添加量為20份時，收縮率為1.54%，當(dāng)硅灰石全部替代滑石粉添加量為20份時，收縮率為1.32%，隨著硅灰石對滑石粉逐步替代，PP復(fù)合材料的收縮率呈逐漸下降趨勢，這是由于硅灰石的較長長徑比與PP分子鏈結(jié)合纏繞加固了PP復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，限制了PP分子鏈的運(yùn)動，從而降低了PP復(fù)合材料收縮率[15]。

圖5 硅灰石不同份數(shù)時PP復(fù)合材料收縮率

2.6 硅灰石含量對PP復(fù)合材料熱變形溫度的影響

圖6為硅灰石含量對PP復(fù)合材料熱變形溫度的影響，從圖6可以看出，當(dāng)全部是滑石粉且添加量為20份時，熱變形溫度為91.2 ℃，當(dāng)硅灰石全部替代滑石粉添加量為20份時，熱變形溫度為111.7 ℃，隨著硅灰石對滑石粉逐步替代，PP復(fù)合材料熱變形溫度呈逐漸上升趨勢，表明硅灰石的加入能提升PP復(fù)合材料熱變形溫度，這是由于具有高長徑比的硅灰石對PP結(jié)晶具有一定異相成核作用，能提高PP結(jié)晶溫度，從而提升PP復(fù)合材料熱變形溫度[16-17]。

圖6 硅灰石不同份數(shù)時PP復(fù)合材料熱變形溫度

2.7 PP復(fù)合材料沖擊斷面的SEM分析

圖7為滑石粉/硅灰石填充PP復(fù)合材料沖擊斷面形貌的SEM照片，從圖7可以看出，滑石粉顆粒呈片狀結(jié)構(gòu)分散在PP復(fù)合材料中，硅灰石顆粒呈棒狀結(jié)構(gòu)分散在PP復(fù)合材料中，兩者的分散狀態(tài)均比較均勻，顆粒與PP復(fù)合材料之間形成了牢固的界面。隨著硅灰石替代滑石粉添加量逐漸增加，鑲嵌在PP復(fù)合材料中片狀結(jié)構(gòu)顆粒逐漸減少，鑲嵌在PP復(fù)合材料中棒狀結(jié)構(gòu)顆粒逐漸增多。

圖7 滑石粉/硅灰石填充PP復(fù)合材料沖擊斷面形貌的SEM照片

3 結(jié)論

(1)對于滑石粉和硅灰石兩種無機(jī)填料而言，隨著體系中硅灰石粉添加量的逐漸增大，PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和收縮率均表現(xiàn)出下降趨勢；滑石粉HS-768在提高PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度方面表現(xiàn)出最佳優(yōu)勢，而硅灰石CC-6000在降低PP復(fù)合材料的收縮率方面表現(xiàn)較佳。

(2)對于滑石粉和硅灰石兩種無機(jī)填料而言，隨著體系中硅灰石粉添加量的逐漸增大，PP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度均表現(xiàn)出上升趨勢，PP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)出先上升后下降趨勢；硅灰石CC-6000在提高PP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和熱變形溫度方面最具優(yōu)勢，而硅灰石CC-6000與滑石粉HS-768兩者添加量為1∶1時PP復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)最佳。