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硅酸盐矿物增韧增强聚丙烯复合材料试验研究

张凌燕  
【摘要】: 聚丙烯(PP)作为通用热塑性塑料,力学性能优良,但也存在低温脆性、成型收缩率大、易老化等缺点。聚乙烯(PE)加工性能好,具有一定的刚性和良好的低温冲击性能,是PP改性的良好材料。弹性体乙烯-辛烯聚合物(POE)分子结构中不含有双键,耐候性好,且具有较小的内聚能,较高的剪切敏感性,其表观剪切黏度对温度的依耐性与PP相近,在热稳定性、加工性方面都显示出无可比拟的优势。论文以马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)作为增容剂,以低密度聚乙烯(LDPE)或POE为增韧剂,以超细矿物微粉为增强剂,采用熔融共混工艺制备了PP/LDPE/白云母共混物和PP/POE/PP-g-MAH/白云母/硅灰石复合材料。对复合材料的拉伸性能、弯曲性能、冲击性能进行了研究,采用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)对复合材料的形态结构和结晶行为进行了研究。 主要取得以下结果: (1)通过对硅灰石、白云母的表面改性改善矿物微粉的表面性能,提高与聚丙烯的粘结能力,确定了合适的改性药剂、用量及改性工艺。 (2)通过正交试验及单因素试验确定了PP/白云母/LDPE三元复合材料的最佳配方,并对其力学性能、流动性及热学性能进行研究。表明定挠度弯曲强度、缺口冲击强度、洛氏硬度、熔体流动速率和维卡软化温度都有所提高,分别提高了11.1%、13.2%、31.3%、91.89%和0.64%。拉伸强度和定挠度弯曲模量略有下降,拉伸强度从30.72MPa降低到30.54MPa,降低了0.5%。定挠度弯曲模量也降低了1.43%。白云母粒度对复合材料性能的影响表明较适宜的粒度为d_(90)=16.26μm。共混方式的研究发现,采用直接共混较适宜。采用SEM研究复合材料冲击断面,对微观形貌进行观察,结果表明:改性白云母微粉的粒度宜细,用量宜少有利于分散。随着LDPE用量的增加复合材料的冲击性能提高。TG—DSC研究表明复合材料耐热性均有所提高。 (3)通过正交及单因素试验确定了PP/硅灰石/白云母/POE四元复合材料的最佳配方,并对其力学性能、流动性及热学性能进行研究,发现复合材料的拉伸强度达到30.16MPa,较纯PP上升了21.27%,弯曲强度达到31.13MPa,上升了64.97%,弯曲模量为1220.11MPa,较纯PP提高了64.97%,洛氏硬度为18.76,上升了22.61%,维卡软化温度为91.7℃,较纯PP上升了24.93%。复合材料缺口冲击强度基本保持不变,然而复合材料的断裂伸长率大幅下降。采用SEM对复合材料冲击断面微观形貌进行观察,发现白云母、硅灰石的加入使复合材料的冲击断面为韧性断裂,粒度较大的白云母易在PP基体内呈层状分布,长径比优良的硅灰石在断面处的取向整齐,易于提高基体的强度,POE以球状颗粒分布在基体中,与基体黏结良好,有利于提高复合材料的冲击强度,但POE并不能改善硅灰石及云母与PP基体的相容性。通过DSC非等温结晶数据的研究,发现复合材料的结晶度有不同程度的提高,无机矿物粒子在复合材料熔融冷却过程中有明显的结晶诱导作用,为材料性能的提高提供了理论依据。DSC非等温升温曲线研究表明:复合材料的熔融温度有所提高,从而提高了材料的耐热性。 (4)初步探讨了复合体系的增韧机理,发现复合材料的强度及韧性的提高并不是云母、硅灰石或者LDPE、POE某一单因素所起的作用,而是体系中三者协同作用的结果。


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