玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及其性能

程军生

（玉林师范学院，广西 玉林 537000）

聚丙烯（PP）因其优良的力学性能、化学稳定性，以及低廉的成本，在汽车制造、建筑建材、包装材料等方面得到广泛应用；但PP的低温易脆断、成型收缩率大、尺寸稳定性低的问题，限制了其进一步应用［1］。采用PP制造的塑性材料，拉伸强度仅为30～40 MPa，难以满足高强度应用领域的需求，而非极性PP较差的亲水及抗静电性能，进一步限制了材料的二次加工［2-3］。因此，为扩展PP的工程应用领域，对PP的改性成为研究热点［4-6］。通常，采用化学方法改变PP的原子种类和组成方式来提升PP复合材料的综合性能，包括交联、氯化、互穿聚合物网络等［7-10］。利用物理改性来改变PP的聚集态结构，改变材料的性能，应用较多的有填充改性、表面改性、共混改性等［11-14］，但目前的技术手段均存在一定的缺陷。如添加乙烯-1-辛烯共聚物（POE）等增韧剂来提升PP的冲击强度，但拉伸性能下降［15］；加入碳纤维作为增强剂，可提升PP的剪切强度，但拉伸强度存在一定程度的下降［16］。因此，不同的组成对PP复合材料的综合性能影响存在较大差异。

本工作以玻璃纤维（GF）为增强剂，POE为增韧剂，马来酸酐接枝POE（POE-g-MA）为增容剂，采用双螺杆挤出机制备PP/POE/GF复合材料，并分析了复合材料的力学性能，以获得综合性能最优的复合材料配方。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP PPH-T03粒料，密度0.903 g/cm3，熔体流动速率3.5 g/10 min，中国石油化工股份有限公司武汉分公司；GF 988A，纤维直径13 μm，中国巨石股份有限公司；POE 8150，1-辛烯摩尔分数为25%，密度为0.886 g/cm3，熔体流动速率为1.0 g/10 min，美国Dupont-Dow公司；POE-g-MA，接枝率1%，中国聚星材料公司。

1.2 主要仪器与设备

TE-35型双螺杆挤出机，德国布拉本德公司；SEEV-A型注塑机，日本住友电气工业株式会社；PH-750型冲击试验机，沃特拜试验设备（南京）有限公司；UTM5305X型万能拉伸试验机，济南恒思盛大仪器有限公司；JSM-5510LV型扫描电子显微镜，日本JSM公司。

1.3 试样制备

采用高速混合机将预先配好的PP，POE，POE-g-MA在500 r/min条件下搅拌5 min，于60 ℃鼓风干燥1.5 h后取出备用。将物料置于双螺杆挤出机中，螺杆温度为220～230 ℃，主机频率为8 Hz，喂料转速为90～100 r/min，将混合均匀的物料由加料斗加入，进行熔融挤出，待平稳出料后，加入GF，通过双螺杆剪切，保证GF与PP充分混合，GF含量由GF股数和主机转速控制，挤出料经过水冷、风干后制得粒料。

1.4 测试与表征

挤出料干燥后，由注塑机得到横截面为4 mm×2 mm的哑铃状拉伸样条和80 mm×10 mm×4 mm（缺口厚度0.8 mm）的缺口冲击样条，注塑机温度192～210 ℃。

拉伸强度按GB/T 1040.2—2006测试，拉伸速度为50 mm/min。缺口冲击强度按GB/T 1043—2018测试，室温，每组试样测试5次，取平均值。

扫描电子显微镜（SEM）观察：将试样断面置于正庚烷超声刻蚀30 min后，经过乙醇、丙酮、超声波清洗，于室温条件下干燥，喷金处理，观察断面微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 POE对PP性能的影响

PP/POE复合材料配方见表1。

表1 PP/POE复合材料配方Tab.1 Formula of PP/POE composites

2.1.1PP/POE复合材料的微观形貌

从图1可以看出：POE均匀地分散在PP基体中，说明PP与POE存在一定相容性，为部分相容体系。

图1 PP/POE复合材料的微观形貌Fig.1 Microscopic morphology of the PP/POE composites

2.1.2POE用量对PP/POE力学性能的影响

从图2可以看出：随着POE用量增加，复合材料的冲击强度显著增加。纯PP的缺口冲击强度为7.5 kJ/m2，当POE用量25 phr时，试样POE25的冲击强度达到18.6 kJ/m2，较纯PP的冲击强度提升了148.0%，POE用量45 phr时，试样POE45冲击强度提高到30.2 kJ/m2。POE在PP基体中分散均匀，当材料受外力冲击时，大颗粒POE作为应力集中点，诱发形成银纹和剪切带，吸收冲击能量，且大量银纹间形成干扰的应力场，降低了银纹端应力，避免形成裂纹，提高了复合材料的冲击强度［17］。从图2还可以看出：随着POE用量增加，复合材料拉伸强度下降明显。纯PP的拉伸强度为30.6 MPa；当POE用量为25 phr时，试样POE25的拉伸强度降低到24.0 MPa；POE用量为45 phr时，试样POE45的拉伸强度仅为20.6 MPa。POE作为一种模量较低的弹性体，加入到模量较高的PP基体中，容易降低复合材料的拉伸强度，且POE用量越多，拉伸强度下降越明显［18］。为保证复合材料同时具备较高的冲击强度和拉伸强度，选择PP与POE的用量分别为100，25 phr。

图2 POE用量对PP/POE复合材料冲击强度和拉伸强度的影响Fig.2 Effect of POE content on the impact strength and tensile strength of PP/POE composites

2.1.3PP/POE的断面形貌

从图3可以看出：纯PP的冲击断面光滑，断裂痕迹较少，表明PP为脆性断裂，主要由银纹吸收冲击能量。PP/POE复合材料银纹和裂纹较多，吸收较多冲击能量，一定程度提升了材料的韧性，PP/POE复合材料断裂面形成了部分空穴，说明复合材料断裂吸能可能存在空化机理［19］。

图3 纯PP与试样POE25冲击断面的SEM照片（×500）Fig.3 Impact section SEM photos of pure PP and sample POE25

2.2 GF用量对PP/POE性能的影响

良好的PP/POE/GF复合材料需要同时具备较高的冲击强度和拉伸强度。通常控制POE用量低于30 phr，以获得性能优异的PP/POE/GF复合材料。PP/POE/GF复合材料的配方见表2。

表2 PP/POE/GF复合材料配方Tab.2 Formula of PP/POE/GF composites

2.2.1GF用量对PP/POE/GF力学性能的影响

从图4可以看出：随着GF用量的增加，复合材料的缺口冲击强度逐渐下降；未加入GF时，PP/POE复合材料的缺口冲击强度为18.6 kJ/m2，w（GF）为14.6%时，试样GF1的冲击强度为12.2 kJ/m2，w（GF）为27.9%时，试样GF3的冲击强度为12.6 kJ/m2，下降了32.2%，但较纯PP的冲击强度提高。随着GF用量的增加，冲击强度的降幅逐渐减小，这是由于定量的GF断裂和拔出吸收了部分冲击能量［20］。从图4还可以看出：随着GF用量的增加，复合材料的拉伸强度不断提高，w（GF）为14.6%时，复合材料的拉伸强度为28.2 MPa。w（GF）为27.9%时，试样GF4的拉伸强度增大到34.6 MPa，较PP/POE复合材料与纯PP的拉伸强度分别提升了44.2%，13.1%。GF的加入弥补了POE加入导致的复合材料拉伸强度下降的问题。但相较于纯PP，PP/POE/GF复合材料的拉伸强度并未大幅增加，主要是POE的存在削弱了GF的增加作用，但适量的GF能明显增强材料的拉伸强度。

图4 GF用量对PP/POE/GF复合材料冲击强度及拉伸强度的影响Fig.4 Effect of GF dosage on the impact strength and tensile strength of PP/POE/GF compostes

2.2.2PP/POE/GF复合材料的断面形貌

从图5可以看出：GF能够很好地分散在PP基体中。由于增容剂的存在，断裂的GF上附着了大量的基体树脂，GF与PP基体间良好的相容性可较好地传递外界的冲击应力。当材料受冲击力作用，GF通过拔出断裂方式吸收冲击能，POE粒子通过变形吸收冲击能，二者共同延缓裂纹的发展［21］。但GF用量增加到一定程度时，GF与PP基体间界面作用减小，树脂不能完全包裹GF，进而发生团聚现象，导致增强效果下降。为保证复合材料具备较强的增强效果，选择GF质量分数为 27.9%。

图5 不同GF含量复合材料冲击断面的SEM照片（×1 000）Fig.5 Impact section SEM photos of composites with different GF content

2.3 POE-g-MA用量对PP/POE/GF复合材料性能的影响

增容剂的加入能够提升GF与PP基体的相容性，进而改善复合材料的综合性能。加入POE-g-MA的复合材料的配方见表3。

表3 加入POE-g-MA的复合材料的配方Tab.3 Formula of the composites adding POE-g-MA

2.3.1POE-g-MA用量对PP/POE/GF复合材料力学性能的影响

从图6可以看出：随着POE-g-MA用量的增加，复合材料的冲击强度提高。当POE-g-MA用量为10 phr时，试样POE-g-MA5的冲击强度为15.1 kJ/m2，较未添加增容剂时的冲击强度提升了19.8%左右，较纯PP的冲击强度提高101.0%，表明增容剂能够提升GF与PP基体的界面相互作用，降低由于GF加入而导致复合材料冲击强度下降的问题。POE-g-MA用量进一步增加，复合材料的冲击强度小幅增长，但增幅并不明显。

图6 POE-g-MA用量对PP/POE/GF复合材料冲击强度及拉伸强度的影响Fig.6 Effect of POE-g-MA dosage on impact strength and tensile strength of PP/POE/GF composites

从图6还可以看出：未添加增容剂时，复合材料的拉伸强度为34.6 MPa，POE-g-MA用量为10 phr时，复合材料的拉伸强度提高到37.8 MPa，较未添加增容剂时的拉伸强度提高9.2%，较纯PP的拉伸强度提高23.5%。这是由于复合材料中未加入增容剂时，GF与PP基体不能够很好地相容，GF在拉伸过程中容易拔出，不能作为骨架起到很好的支撑作用［22］。POE-g-MA含量进一步增加，复合材料的拉伸强度有所下降，可能是由于POEg-MA作为一类弹性颗粒，含量较高时，容易造成GF相互缠绕，分散不均，从而降低了GF对复合材料应力提升的作用。

综上所述，当PP，POE用量分别为100，25 phr，GF质量分数为27.9%，POE-g-MA用量为10 phr时，复合材料的冲击强度和拉伸强度较纯PP分别提高了101.0%，23.5%。

2.3.2PP/POE/GF/POE-g-MA的断面形貌

从图7可以看出：未加入增容剂时，GF与PP基体间形成明显的缝隙，直接影响到GF作为骨架对基体应力的传递作用，导致GF在较小的拉伸力作用下从基体中拔出，使复合材料力学性能下降。加入增容剂后，GF与PP基体间相容性逐渐改善，大量的基体树脂附着在断裂的GF上，使GF能够被基体很好地包覆浸润。因此，应该选择不同的增容剂用量来保证POE与GF能够形成协同作用，增强复合材料的韧性，获得综合性能更优的复合材料。

图7 不同增容剂用量复合材料冲击断面的SEM照片（×2 000）Fig.7 SEM photos of the composite impact section with different compatibilizer dosage

3 结论

a）POE与PP存在一定相容性，PP/POE复合材料的冲击强度提高，拉伸强度降低。POE用量为25 phr时，复合材料冲击强度较纯PP提高了148.0%。

b）PP/POE/GF复合材料中，GF可提升复合材料的拉伸强度，降低了材料的冲击强度。

c）增容剂POE-g-MA显著改善了GF与PP/POE的界面相容性。PP，POE用量分别为100，25 phr，GF质量分数为27.9%，POE-g-MA用量为10 phr时，复合材料的冲击强度较纯PP提高101.0%，拉伸强度提高23.5%，有效提升了材料的增强增韧效果。