聚丙烯/硫酸钙晶须复合材料的制备与力学性能研究

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( 淮海工学院 化工工程学院，江苏 连云港 222005)

硫酸钙晶须(CSW)是一种纤维状的单晶，是一种针状、具有均匀横截面、完整外形、内部结构完善的纤维亚纳米材料。它具有完整的结构、稳定的尺寸，与其他短纤维材料相比，具有耐高温、抗化学腐蚀性、强度高、相容性好、易进行表面处理等特性[1-2]。本文主要阐述了先将硫酸钙晶须通过硅烷偶联剂KH-550进行表面改性，再与聚丙烯制备改性硫酸钙晶须含量分别为0、1%、2%、3%、5%的复合材料，测试它的性能，并且与未改性硫酸钙晶须与聚丙烯制备的复合材料进行比较。硫酸钙晶须是一种以单晶形式生长的新型

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯F401H，扬子石化有限公司；无水乙醇，分析纯，国药有试剂限公司；硅烷偶联剂KH-550，淮安合元化工有限公司；硫酸钙晶须，NP-M02，上海峰竺复合材料有限公司；抗氧剂168、1010，购自淄博祥东化工有限公司。

1.2 设备与仪器

高速混合机SHR 10A，张家港市震雄塑料机械厂；双螺杆挤出机AK 20，南京科亚化工成套设备有限公司；塑料注塑成型机MJ20-H，震雄机械(宁波)有限公司；摆锤式冲击试验机ZBC7251-C，美特斯工业(中国)有限公司；微机控制电子万能试验机CMT4304，美特斯工业(中国)有限公司；缺口制样机XQZH-1，承德市大加仪器有限公司。

1.3 实验步骤

1.3.1 硫酸钙晶须的改性

邹敏[2]等比较了多种偶联剂对硫酸钙晶须的表面活化效果，发现KH-550的改性效果最为理想[3]。这里采用硅烷偶联剂KH-550对硫酸钙晶须进行湿法改性[4-5]。称取100克硫酸钙晶须，接着称取为硫酸钙晶须总质量的5%的硅烷偶联剂KH-550放置在另一个烧杯中，倒入无水乙醇，搅拌使充分混合。另外，将规格1000ml的圆底烧瓶安装在磁力搅拌器上，并且在圆底烧瓶中投入一个干净转子，启动磁力搅拌器。然后向圆底烧瓶中倒入KH-550与无水乙醇的溶液，最后放入硫酸钙晶须，搅拌一个半小时的时间，使它充分分散。搅拌完毕，开启真空水泵，抽滤，抽滤完后，将其放入真空干燥箱中干燥一天，次日，取出改性硫酸钙晶须，对其进行研磨，研磨后，再次放入真空干燥箱干燥5～6h，保存。

1.3.2 制备母料

按照表格1、表格2内容准备原料，用高速混合机将材料混合后，然后将粉料倒入双螺杆挤出机挤出造粒，再在烘箱中干燥4h，保存，留下一小部分，另一部分注塑成型。

表1 未改性硫酸钙晶须/PP组分实验配方

表2 改性硫酸钙晶须/PP组分实验配方

1.4 材料表征

1.4.1 力学性能

(1)拉伸性能测试

将万能试验机运行一段时间，按照试验标准为GB/T1040.2-2006的要求进行实验，实验完成后保存数据。

(2)弯曲性能测试

将万能试验机进行预热，选择实验标准为GT9341B/-2008的要求进行实验，实验结束后保存数据。

(3)冲击性能测试

选用简支梁摆锤实验，把样品在缺口制样机上切出一个三角缺口，接着开机连接设备，然后对冲击试验机摆角角度校正，使角度保持在149.58°，然后依照参考标准GB/T1043.1-2008进行实验，保存数据。

2 实验结果与讨论

2.1 拉伸性能

不同含量的改性硫酸钙晶须和未改性硫酸钙晶须对硫酸钙晶须/PP复合材料的拉伸性能的影响如表2、表3所示。由表3看出，随着改性硫酸钙晶须的含量增加，拉伸强度、拉伸弹性模量也随之变化。当含量为2%时，拉伸强度和弹性模量最大。力学性能的改善说明改性硫酸钙晶须是刚性粒子，刚性越大，模量越大。

表3 改性硫酸钙晶须/PP拉伸性能

表4 未改性硫酸钙晶须/PP拉伸性能

从表4得出，随未改性硫酸钙晶须逐渐增加，拉伸强度增大，在未改性硫酸钙晶须含量为1%的时候取极大值，接着，它又随着未改性硫酸钙晶须含量的逐渐增大，拉伸强度减小，在未改性硫酸钙晶须含量为5%时取一最大值。

将表3和表4比较可知，改性硫酸钙晶须/PP复合材料的拉伸强度和拉伸弹性模量普遍高于未改性硫酸钙/PP复合材料。这是因为，硫酸钙晶须未经表面改性剂处理时,聚丙烯和硫酸钙晶须的相容性差,两相界面之间容易脱粘,共混体系的综合力学性提高有限。当纳硫酸钙晶须经表面改性剂处理后，硫酸钙晶须/PP复合材料共混体系中的硫酸钙晶须得到充分的分散,增加了两相之间的接触面积,分散程度进一步提高，提高了两相之间的粘合和相容性，因此，用偶联剂处理硫酸钙晶须可在一定的程度上减小晶须的“抱团聚集”[6]，使复合材料的综合力学性能比表面未处理的共混体系有较大提高

2.2 弯曲性能

不同含量的改性硫酸钙晶须和未改性硫酸钙晶须对硫酸钙晶须/PP复合材料的弯曲性能的影响如表5、表6所示。由表5知，当改性硫酸钙晶须的比例为2%时，弯曲强度最大。由表6可知，当未改性硫酸钙晶须的比例为5%时，弯曲强度最大。将两表对比发现，表5弯曲性能明显优于表6。弯曲性能测试结论与力学性能类似，都说明了硅氧偶联剂改性可以提高硫酸钙晶须的材料相容性，进一步提高其弯曲性能。

表5 改性硫酸钙晶须/PP弯曲性能

表6 未改性硫酸钙晶须/PP弯曲性能

2.3 冲击性能

不同含量的改性硫酸钙晶须和未改性硫酸钙晶须对硫酸钙晶须/PP复合材料的冲击性能的影响如表7、表8所示。然而，随着改性和未改性硫酸钙晶含量的增加，复合材料的的冲击韧性一直在下降。查阅资料可以知道，由于硫酸钙晶须本身属于刚性的粒子，在聚丙烯复合材料中不能有效的传递和松弛界面上的应力和分散外界冲击能，易引发聚丙烯树脂产生微开裂，导致材料韧性变小，冲击性能下降[7]。

表7 改性硫酸钙晶须/PP冲击性能

表8 未改性硫酸钙晶须/PP冲击性能

3 实验结论

通过对比力学性能后，我们可以发现2%质量分数的硅氧偶联剂KH-550改性硫酸钙晶须的加入能显著提高硫酸钙晶须/PP复合材料的拉伸性能和弯曲性能，然而，硫酸钙晶须的加入却导致复合材料的冲击性能的降低。