玻璃纤维增强聚丙烯材料的性能研究

王帮进，陈金伟，吴喜元，陈 锐，杨家祥

(中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司，安徽 马鞍山 243000)

聚丙烯是现在生活中最普通，也是最重要的通用性塑料之一。已广泛的应用于生活的各个领域中。玻璃纤维是一种无机非金属材料。玻璃纤维单丝的直径在几微米 ～ 二十几个微米之间，抗腐蚀、耐热、绝缘。玻纤增强的复合材料可使原有材料的韧性、刚性以及耐久性得到大幅度的提升[1-5]。由于玻璃纤维与聚丙烯极性相差较大，表面能高，两者相容性很差，难以得到性能优异的材料。本实验通过马来酸酐接枝从而使玻璃纤维与聚丙烯很好的相容。

1 实验部分

1.1 实验原材料及实验仪器

1.1.1 实验原材料

PP：K8003，中韩(武汉)石油化有限公司；抗氧剂：168，巴斯夫股份公司；抗氧剂：1010，巴斯夫股份公司；EBS：星贝达(上海)化工材料有限公司；玻璃纤维：EDR14-2000-960，巨石集团有限公司；相容剂：CMG9801，佳易容相容剂江苏有限公司。

1.1.2 实验仪器

TSB-36型同向平行双螺杆混炼挤出机，江苏诚盟装备股份有限公司；EM80-SVP/2注塑机，震德塑料机械有限公司；悬臂梁冲击试验机，上海衡翼精密仪器有限公司；ZMD-1电子密度仪，上海方瑞仪器有限公司；维卡软化点温度测定仪HDT/V-1104，承德市金建检测食品有限公司；M221-C试验机，上海衡翼精密仪器有限公司。

1.2 样条制备

将干燥的 PP 树脂、 增容剂、 抗氧剂混合物从加料口加入挤出机中，玻纤通过玻纤口加入。得到不同比例含量的玻璃纤维增强聚丙烯材料。混配料通过双螺杆挤出机挤出，加热工艺温度180～220℃，挤出后用水冷却，干燥，切粒机切粒。粒子用注塑机制作样条，注塑温度为190～210℃，注塑压力80 MPa。

1.3 性能测试

拉伸性能按 ISO527 测试； 弯曲性能按 ISO178测试； 冲击性能按 ISO180测试；维卡软化温度按ISO306测试。

2 结果与讨论

2.1 拉伸强度和断裂伸长率

图1 拉伸强度与玻纤含量的关系

图2 断裂伸长率与玻纤含量的关系

由图1可以看出，材料的拉伸强度随着玻纤含量的增加而升高。玻纤与玻纤之间有很多交叉点，这种交叉结构构成复合材料的骨架。当外力作用复合材料时，这种骨架结构能有效传递应力，使较大的区域承受外力，提高复合材料的拉伸强度。

由图2可以看出，材料的断裂伸长率随着玻纤含量的增加而呈现下降趋势。材料的断裂伸长率与基体本身材料有关，玻纤含量增加，基体间材料的间隙变大，从而使单位截面积上基体受力变小，所以在一定程度使复合材料的断裂伸长率减小。

2.2 弯曲强度和弯曲模量

图3 弯曲强度与玻纤含量的关系

图4 弯曲模量与玻纤含量的关系

由图3、4可以看出，当玻纤含量增加时，弯曲模量和弯曲强度都增大。当玻纤含量达20%时，弯曲模量相对于纯样己升高三倍多，达到2700 MPa。这是由于在复合材料的任一横截面，都有更多的玻纤来承载负荷，这些玻纤从树脂中抽出或者断裂，均能吸收大量的能量，因而提高了复合材料的弯曲强度。同时，由于玻纤含量增加，玻纤之间的树脂层变薄，作用在复合材料上的力很容易通过树脂层在玻纤之前传递，树脂的形变也受到玻纤的约束，因而复合材料的弯曲模量也随之增大。

2.3 缺口冲击强度

图5 冲击强度与玻纤含量的关系

随着玻纤含量的增加，冲击强度呈现上升趋势。随着玻纤含量的增多，材料的任意横截面上的玻纤数量增多，当收到外力冲击时，复合材料的应力得到分散，使得复合材料断裂时能够吸收更多的能量，使得冲击强度随着玻纤含量增多而增大。同时，随着玻纤含量的增加，玻纤与玻纤间的树脂变薄，材料所收到的应力更有利于向内部传递，使得玻纤受力更加均匀，因而复合材料的冲击强度得到提高。

2.4 微卡软化温度

图6 维卡软化温度与玻纤含量的关系

随着玻纤含量的增加，维卡软化温度呈现上升趋势。玻璃纤维加入后，与PP分子链范德华力大大增加，在基体中生成无数细小的缠结交联点，形成交联网状结构，有效的阻碍了PP分子链的运动，使得分子链需要更多的能量来冲破这种阻碍。如果材料需要更多的变形量必须要更高的温度才可以，所以维卡软化温度得到提高。

3 结论

(1) 复合材料的断裂伸长率随着玻纤含量的增加而减小，冲击强度、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量随着玻纤的含量增大而增大。

(2)作为填料，玻纤显著能够提高复合材料的维卡软化温度。因此玻纤增强聚丙烯在MPP电力管材料方面具有广阔的应用前景。