晶须/滑石粉共改性车用聚丙烯复合材料性能研究

吴国峰，杨 波，黄 达，李永华，罗忠富，宁凯军

(金发科技股份有限公司，塑料改性与加工国家工程实验室，广东 广州 510520)

晶须/滑石粉共改性车用聚丙烯复合材料性能研究

吴国峰，杨 波，黄 达，李永华，罗忠富，宁凯军

(金发科技股份有限公司，塑料改性与加工国家工程实验室，广东 广州 510520)

以滑石粉和晶须为填料，制备了晶须和滑石粉共改性聚丙烯复合材料，并研究了该复合材料的力学性能。结果表明:当滑石粉与晶须质量百分比为12∶8时，复合材料的拉伸屈服强度、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度和熔体流动速率等综合性能最佳。

晶须，聚丙烯，力学性能

聚丙烯(PP)复合材料由于其良好的综合性能已经获得了广泛的应用，特别是在汽车领域的应用日益增大。近年来，随着社会对节能减排的要求，实现汽车轻量化对于汽车行业来说变得尤为重要，在此背景下，各汽车主机厂的制件设计越来越薄，因此对材料的加工流动性、刚性和韧性的要求也越来越高。未改性或者普通滑石粉填充改性的聚丙烯材料已经不能完全满足材料的使用要求。

晶须作为以单晶形式生长的具有一定长径比的单晶纤维材料，由于其优异性能，问世以来受到广大科学工作者青睐，其作为增强材料在聚合物中得到了广泛应用［1］。随着性价比比较高的晶须不断被开发出来［2－4］，使得晶须在复合材料中的应用越来越大。在晶须改性聚丙烯方面，魏玉坤［5］，王小武等［6］研究了复合材料中晶须与聚丙烯最佳配比。然而这些研究大多集中在晶须单填充聚丙烯体系中，而作为汽车材料使用的改性聚丙烯材料，考虑到各种综合性能的需要，晶须单填充聚丙烯体系往往并不适用，本文即在滑石粉填充改性聚丙烯体系基础上，研究了将滑石粉部分替换为晶须后的性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP:中国石油化工股份有限公司广州分公司;晶须:市售;滑石粉:河山化工集团;1010抗氧剂，168抗氧剂:汽巴精化有限公司;POE:陶氏化学有限公司。

1.2 主要仪器和设备

双螺杆挤出机:SHJ－30型，南京瑞亚高聚物装备有限公司;注塑机:HTB80型，宁波海天机械有限公司;万能试验机:cmt40204型(20KN)，深圳市新三思材料检测有限公司;冲击试验机:892型，美国Tinius Olsen公司，熔指测试仪:4100型，德国ZWICK公司;扫描电子显微镜:S－3000N型，日本HITA－CHI有限公司。

1.3 试样制备

将PP、弹性体、滑石粉、抗氧剂和添加剂按照一定配比混合均匀，采用双螺杆挤出机挤出造粒，晶须采用侧喂料方式加料，采用注塑机注塑成标准样条。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T 1040－2006测试;冲击性能按照GB/T 1843－2008测试;弯曲性能按照GB/T 9341－2008测试，熔体流动速率按照GB/T 3682－2000测试。用扫描电镜观察复合材料微观形貌。

2 实验结果与讨论

本研究中PP、弹性体、滑石粉及晶须质量百分数如表1所示。

表1 实验基本配方Table.1 The prescription of expeimert

2.1 晶须对复合材料力学性能的影响

图1为复合材料拉伸屈服强度变化曲线图，从图1中可以看出，在滑石粉填充改性聚丙烯体系中，将部分滑石粉替换为晶须后，随着替换量的增加，复合材料的拉伸屈服强度增加，当滑石粉与晶须的质量百分数比值为12∶8时，拉伸屈服强度达到最大值，而后拉伸屈服强度则有所下降。图2和图3分别是复合材料弯曲强度和弯曲模量变化曲线图。从图2、图3中可以看出，随着晶须的加入，复合材料的弯曲强度和和弯曲模量提高，当滑石粉:晶须的质量比为12∶8时，弯曲强度和弯曲模量达到最大值。图4为复合材料悬臂梁缺口冲击强度变化曲线图，从图4中可以看出，复合材料悬臂梁缺口冲击强度并没有因为晶须的加入而降低，其变化是随着晶须含量的增多，悬臂梁缺口冲击强度先稍微增加，而后又稍微降低，变化并不明显，结果与某些文献报道的结果不相同［7，8］。从结果可以看出，在本文研究的范围内，无机晶须的加入，在提高复合材料强度和模量的同时，复合材料的冲击强度没有多大的变化。综合各性能可以看出，当滑石粉与晶须的质量百分数比值为12∶8时，综合力学性能达到最佳值。

图1 晶须含量对复合材料拉伸屈服强度的影响Fig.1 Effect of whicker on the tensile strength

图2 晶须对复合材料弯曲强度的影响Fig.2 Effect of whisker content on the flexural stvength

图3 晶须对复合材料弯曲模量的影响Fig.3 Effect of whisker content on the notched impact serength

图4 晶须对复合材料冲击强度的影响Fig.4 Effect of whicker content on the effexural madulas

晶须是在特殊条件下以单晶形式生长形成的纤维，其直径极小，能到亚微米或纳米级，具有高度有序的原子排列，因而不具有大晶体的缺陷，可接近材料的原子间价键的理论强度。滑石粉填充聚丙烯体系中，晶须的加入，一方面能作为复合材料的“骨架”吸收外界的能量，另一方面能够加速能量的耗散并抑制裂纹的扩展，因此能够提高复合材料的刚性［6］，当晶须含量不多时，随着晶须含量的增多，这方面的性能更强，然而随着晶须含量的增大，可能影响了无机粉体在树脂基体中的分散，从而导致复合材料拉伸强度、弯曲强度及模量的降低。同时晶须具有纤维状结构，受到外力作用时较易产生变形，能够吸收冲击振动能量，同时裂纹在扩展中遇到晶须便会受阻而得到抑制，因此当晶须填充量较少时能够起到增韧作用，这在一定程度上能改善复合材料的冲击性能，然而晶须的柔韧性比基体树脂小，在复合体系中，晶须与基体树脂之间缺乏缓冲层，有可能导致界面成为材料脆性破坏的引发点，因此当晶须含量增加时，导致复合材料柔韧性有所下降，即复合材料冲击强度有所下降。

2.2 晶须对复合材料熔体流动速率的影响

图5是复合材料的熔体流动速率变化曲线图，从曲线上可以看出，随着晶须含量的增加，复合材料的熔体流动速率先增大后减小，在滑石粉与晶须的质量百分数比值为14∶6时，熔体流动速率达到最大值，在滑石粉与晶须的质量百分数比值为12∶8时稍有减小，可能是因为晶须属于短纤维，具有较大的长径比，少量的晶须均匀分散在聚合物中后，被树脂包覆，在熔融的PP流动时形成取向，在熔体流动方向产生有序排列，降低了熔体流动时的阻力，对聚合物熔体有较好的润滑作用［9］，而后随着晶须含量的增加，体系的黏度开始增大，导致复合材料熔体流动速率下降。

图5 晶须含量对复合材料熔体流动速率的影响Fig.5 Effect of whisker content on the mectflow rate

4 结论

在PP+EPDM+20%滑石粉体系中，将部分滑石粉取代为晶须后，材料的拉伸强度、弯曲强度和模量都得到一定程度的提高，材料的冲击强度影响不大，熔体流动速率先上升后有所下降，综合各性能，滑石粉和晶须的最佳比率为:滑石粉/晶须=12/8。

［1］李武.无机晶须［M］.北京:化学工业出版社，2005，1－2.

［2］S C Tjong，Y Z Meng.Performance of potassium titanate whisker reinforced polyamide－6 Composites［J］.Polymer，1998，39(22):5461－5466.

［3］温变英，唐文光，汤仙武.聚丙烯/四钛酸钾晶须复合材料研究［J］.化工新型材料，2009，37(11):87－89.

［4］潘宝风，刘军.SMC晶须增强高密度聚乙烯复合材料的拉伸性能［J］.高分子材料科学与工程，2008，24(4):101－104.

［5］魏玉坤，王浩江，宠纯，等.不同晶须改性聚丙烯的性能研究［J］.合成材料老化与应用，2006，35(1):12－15.

［6］王小武，马秀清.硅钙镁晶须填充聚丙烯复合材料的性能研究［J］.中国塑料，2009，23(6):50－53.

［7］胡海清，赵尧森，王亚，等.晶须改性聚丙烯［J］.塑料工业，2001，29(2):46－48.

［8］杨宁，贵大勇，钱诚.钛酸钾晶须增强聚丙烯的研究［J］.中国塑料，2004，18(1):71－74.

［9］陶国良，龚方红，丁永红，等.镁盐晶须填充改性聚丙烯材料的研究［J］.中国塑料，2003，17(12):45－48.

Property Study of Whisker/Talc Modified Polypropylene Composites for Automobile

WU Guo-feng，YANG Bo，HUANG Da，LI Yong-hua，LUO Zhong-fu，NING Kai-jun
(Kingfa Science＆ Technology Co.Ltd.，National Engineering Laboratory for Plastics Modification and Processing，Guangzhou 510520，Guangdong，China)

Polypropylene/whisker/talc composites were prepared by using whiskers and talc as the fillers，and then the mechanical properties were analyzed.The results show that when the mass ratio of talc/whisker is 12/8，the tensile yield strength，flexural strength，flexural modulus，impact strength and melt flow rate reach the optimal values.

whisker，Polypropylene，Mechanical properties，automobile

TQ 32

2011－12－15