矿物纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究

夏英　张锋锋　任庆龙　张伟明

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)



试验研究

矿物纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究

夏英张锋锋任庆龙张伟明

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034)

摘要：针对弹性体乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)增韧聚丙烯(PP)造成力学强度下降严重的问题，以3种硅烷偶联改性的矿物纤维(玄武岩、水镁石、硅灰石)作为增强体填充PP/EVA体系，并采用偏光显微镜(POM)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料进行观察，探究了硅烷偶联剂和矿物纤维对PP/EVA复合材料力学性能的影响。结果表明：经酸刻蚀并硅烷偶联处理的玄武岩纤维(SSiX)增强最好，制备的PP/EVA/SSiX复合材料与PP/EVA复合材料相比，其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了111%，108%，29.30%。

关键词：矿物纤维 增强 复合材料力学性能聚丙烯

聚丙烯(PP)具有良好的力学性能、耐热性、耐化学腐蚀性、对人体无毒无害等优点。然而PP的耐冲击性能较差，传统PP增韧改性主要以添加弹性体为主。这种方法改善了PP的冲击韧性，但却降低了PP的强度。矿物纤维作为一种新型无机填料，具有高长径比、无毒、低吸水性、高热稳定性等优势[1]。一般需要对矿物纤维进行表面处理使得纤维与基体间的相容性增加，从而提高复合材料力学强度[2-3]。

针对课题组前期所研究的PP/乙烯-醋酸乙烯酯(EVA)体系出现强度降低的问题，试验选用矿物纤维增强PP/EVA，以期全面提升材料的力学性能。下面研究了3种硅烷偶联改性矿物纤维对PP/EVA力学性能的影响。同时，优化纤维种类，采用酸刻蚀和硅烷偶联改性并用,改性矿物纤维表面，提高矿物纤维与PP/EVA的相容性。

1试验部分

1.1 原材料

PP，J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司；EVA，7350M，台塑公司；玄武岩，短切3 mm，海宁安捷复合材料有限责任公司；纤维水镁石，长0.3 mm，河北宏利海泡石绒有限公司；硅灰石，长0.3 mm，江西环宇硅灰石纤维材料有限公司；硅烷偶联剂KH550,KH-792,A-151，南京道宁化工有限公司；无水乙醇，优级纯，天津市光复科技发展有限公司；浓硫酸，质量分数98%，天津市瑞金特化学品有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电热干燥箱(202-00A)及高速万能粉碎机(FW100)，天津市泰斯特仪器有限公司；双辊混炼机，SK-160B，上海橡塑机厂；平板硫化机，QL-50D/Q，江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司；万能制样机(HY-W)及悬臂梁冲击实验机(UJ-40)，河北承德市试验机厂；微机控制电子万能机RGT-5深圳市瑞格尔仪器有限公司；液晶显示冲击试验机，RXJ-50，深圳市瑞格尔仪器有限公司；扫描电镜(SEM)，JSM-6460LV，日本电子公司；偏光显微镜(POM)，Zeiss Mikroskop Axiopla型，德国蔡司光学仪器公司。

1.3试样制备

1.3.1 矿物纤维表面处理

未改性玄武岩纤维、水镁石纤维、硅灰石纤维分别记作X0,M0,S0。

硅烷偶联改性：硅烷偶联剂按矿物纤维质量的0.75%称取，采用质量分数为25%的乙醇水溶液，配制成硅烷偶联剂的乙醇溶液。称取一定量干燥后的矿物纤维，按5 g/mL加入到配好的硅烷偶联剂乙醇溶液中，在80 ℃下反应2 h，于110 ℃干燥8 h，得到硅烷偶联改性的矿物纤维。KH-550改性后的玄武岩纤维、水镁石纤维、硅灰石纤维分别记作K5X,K5M,K5S; A-151与KH-792处理后的矿物纤维，分别记作A1X,A1M,A1S与K7X,K7M,K7S。

酸刻蚀与硅烷偶联改性：采用去离子水将浓硫酸稀释成1 mol/L的酸溶液，矿物纤维按5 g/mL加入配好的酸溶液中，在80 ℃下反应2 h，抽滤，洗涤。按上述硅烷偶联处理方法对酸刻蚀后的玄武岩纤维表面改性，得到的玄武岩纤维记作SSiX，SSiX纤维于110 ℃干燥8 h备用。

1.3.2 矿物纤维复合材料制备

称取一定量干燥后的矿物纤维和树脂，先将树脂PP和EVA(质量比为4∶1,用量70份)在双辊上混炼熔融，然后加入称量好的纤维，待混炼均匀后放入模具，并置于平板硫化机上热压5 min，最后将模具从平板硫化机取下后继续冷压20 min，即可得到复合材料。制备的复合材料必须经24 h静置后用于制样和性能测试。

1.4 性能测试

拉伸强度按GB/T 6344—2008进行测试，拉伸速率为50 mm/min；弯曲性能测试按照GB/T 9341—2008标准，测试速度为2 mm/min;冲击性能测试按照GB/T 1943—2007标准；加工流动性能测试按照GB/T 3682—2008标准，测试温度230 ℃，负载2.16 kg；SEM观察试样经过液氮冷冻脆断后，断口表面进行喷金处理，再经扩大不同的倍数进行断面形态分析；POM观察：取适量样品放到载玻片上，用盖玻片迅速将样品盖住，并轻轻往下压。3 min后，将载玻片移到POM载物台上观察并拍摄偏光照片。

2结果与讨论

2.1 矿物纤维增强PP/EVA的力学性能分析

2.1.1纤维用量对PP/EVA力学性能的影响

由表1可知，添加3种矿物纤维都使PP/EVA复合材料的拉伸强度和弯曲强度得到提高，说明3种矿物纤维对PP/EVA复合材料均有增强作用。但当3种未改性矿物纤维的用量增加时，PP/EVA复合材料的冲击强度逐渐降低，尤其在纤维用量超过30份时，冲击韧性下降最为明显。表1中PP/EVA/M0复合材料的冲击强度最高达到了17.34 kJ/m2，因为此时M0纤维用量为10份，对冲击韧性影响小。综合考虑复合材料的力学强度和矿物纤维用量，以下试验中均添加矿物纤维30份制备复合材料。同时，为进一步提高复合材料的力学强度，将对纤维表面硅烷偶联改性。

表1 　矿物纤维用量对PP/EVA力学性能的影响

2.1.2偶联改性纤维对PP/EVA力学性能影响

表2为硅烷偶联改性矿物纤维对PP/EVA力学性能的影响。

表2　硅烷偶联改性矿物纤维对PP/EVA力学性能的影响

由表2可知，经硅烷偶联剂改性的3种纤维制备的PP/EVA/改性矿物纤维复合材料的拉伸强度和弯曲强度均优于PP/EVA复合材料。然而，3种偶联剂改性后的M0和S0填充PP/EVA复合材料的冲击强度下降明显。综合比较而言，经偶联剂改性的X0增强PP/EVA复合材料的综合力学强度较好。其中，添加K5X纤维的PP/EVA复合材料，其拉伸强度、弯曲强度较PP/EVA复合材料分别提高了80.91%, 72.22%，冲击强度较PP/EVA复合材料提高了13.30%。由此可见，硅烷偶联改性的玄武岩纤维对PP/EVA复合材料同时起到增强增韧的作用。

2.1.3酸刻蚀纤维对PP/EVA力学性能的影响

表3为酸刻蚀纤维对PP/EVA力学性能的影响。

表3 酸刻蚀纤维对PP/EVA力学性能的影响

由表3数据可知，与PP/EVA/K5X复合材料相比，PP/EVA/SSiX复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了17.28%,20.94%,14.29%。由此说明，纤维经酸刻蚀提高了PP/EVA/玄武岩纤维复合材料的力学强度。这是由于玄武岩纤维表面存在杂质，且纤维表面光滑，使得硅烷偶联剂不易与纤维表面官能团发生化学反应或物理吸附。经酸刻蚀后，表面杂质被除去，裸露在玄武岩纤维表面的Si─O键增多，与硅烷偶联剂反应的表面活性点增加。因此，玄武岩纤维与PP/EVA复合材料的相容性增大，PP/EVA/SSiX复合材料的力学性能显著增强。添加SSiX纤维使PP/EVA复合材料拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了111%，108%，29.30%。

2.2 玄武岩纤维增强PP/EVA结晶形态分析

图1为PP/EVA/玄武岩复合材料的POM照片。

图1　PP/EVA/玄武岩复合材料的POM照片(×200)

由图1可以看出，K5X纤维在PP/EVA中团聚严重，分散不均，球晶尺寸大小不一；SSiX纤维在PP/EVA中相对分散均匀，且球晶尺寸变小。进一步分析图1可知，酸刻蚀后硅烷偶联剂在玄武岩纤维表面的附着点增多，与PP/EVA的增容作用加强。因此，玄武岩纤维能够深入PP/EVA内部，阻碍基体中球晶的生长，实现晶粒细化，说明SSiX纤维对PP/EVA复合材料起到了异相成核的作用。

2.3 玄武岩纤维增强PP/EVA SEM分析

图2为PP/EVA/玄武岩复合材料的微观结构。

由图2(a)可见，PP/EVA复合材料中的未改性玄武岩纤维大量拔出，纤维表面光滑，且玄武岩纤维的拨出长度较长，基体中清晰可见玄武岩纤维拨出后形成的孔洞和沟壑结构，说明两者间的界面结合力较差；由图2(b)可知，PP/EVA基体中的孔洞结构明显减少，说明硅烷偶联改性增大了二者之间的界面黏合力；但仔细观察仍会发现有部分被拔出纤维散落在基体中，复合材料的力学性能有待进一步提高。由图2(c)可看到PP/EVA中孔洞结构很少，玄武岩纤维被埋在基体中，且裸露的大部分纤维表面均被树脂均匀包裹，表明酸刻蚀后更有利于玄武岩纤维的表面硅烷偶联改性，增加了SSiX纤维与PP/EVA复合材料的界面相容性，进一步证实了上述复合材料力学强度增加的结论。

图2　PP/EVA/玄武岩复合材料的微观结构

3结论

a)玄武岩纤维、水镁石纤维和硅灰石纤维对PP/EVA复合材料均有增强效果。在硅烷偶联改性的矿物纤维中，KH-550改性的玄武岩纤维填充PP/EVA复合材料的力学性能较好。

b)经酸刻蚀后再硅烷偶联改性的玄武岩纤维同时增韧增强了PP/EVA复合材料。PP/EVA/SSiX复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度比PP/EVA复合材料提高了111%，108%，29.30%。

c)基体PP/EVA中添加SSiX纤维有利于异相成核作用。酸刻蚀并偶联剂处理的玄武岩纤维与基体结合界面较好。

参考文献

[1]宋秋霞,刘华武,钟智丽,等. 硅烷偶联剂处理对玄武岩单丝拉伸性能的影响[J].天津工业大学学报,2010,29(1):19-22.

[2]郭建君,孙晋良,任慕苏. 冷等离子处理对炭纤维表面及复合材料表面的影响[J]. 高分子材料科学与工程,2010,26(4):85-88.

[3]陈平,陈辉. 先进聚合物基复合材料界面改性及纤维表面改性[M]. 北京：科学出版社,2010:17-24.

收稿日期：2015-10-20;修改稿收到日期:2016-04-05。

作者简介：夏英(1966—)，女，博士，教授，主要从事高分子复合材料及功能材料的研究工作。E-mail：xiaying961@163.com。

DOI:10.3969/j.issn.1004-3055.2016.03.001

Mechanic Properties of Mineral Fiber Reinforced PP/EVA Composites

Xia YingZhang FengfengRen QinglongZhang Weiming

(School of Textile and Material Engineering, Dalian Polytechnic University,Dalian, Liaoning, 116034)

Abstract：In view of the problem of serious decline in the mechanical strength of EVA toughened PP， three kinds of mineral fibers (basalt, brucite, wollastointe) all modified by different silane coupling agents were used as reinforcement filler in the PP/EVA composites. The influences of three mineral fibers on mechanical properties of PP/EVA composites were researched by POM, SEM and mechanical property tests. The results showed that the reinforcement effect of basalt fiber(SSiX) modified by acid etch and silane coupling agent was best. Compared with PP/EVA composites，the tensile strength, flexural strength and impact strength of PP/EVA/SSiX composites were increased by 111%, 108% and 29.30%, respectively.

Key words：mineral fiber; reinforcement; composites; mechanical properties；polypropylene