相容剂对氮化硼填充聚丙烯复合材料力学性能的影响

2022-05-26 09:43秦泽华王晓伟王艳芝
中原工学院学报 2022年2期
关键词:伸长率结晶力学性能

郑 罡, 南 钰, 秦泽华, 王晓伟, 王艳芝

( 1.国网河南省电力公司 开封供电公司, 河南 开封 475000; 2.中原工学院 纺织学院, 河南 郑州 451191)

聚丙烯(PP)因具有密度小、原材料易得、价格便宜、弯曲和拉伸强度优良、耐腐蚀、耐热、耐磨以及易加工等特性,受到多种制造行业的青睐[1]。但是,由于PP力学性能和导热性能差,达不到某些产品特定的要求,需对PP进行改性[2-6]。PP为非极性聚合物,表面能低,而聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH)是一种含有多种官能团的极性化合物,分子结构中含有双键,容易与其他聚合物发生共聚反应[7]。在复合材料中添加一定量的PP-g-MAH,利用活性较强的酸酐基团与羟基等官能团发生化学反应,从而增加聚合物与填料的相容性和黏结性,可提高复合材料的力学性能[8]。

本文以PP为基体材料、六方氮化硼(BN)为填料,添加PP-g-MAH相容剂,采用双螺杆挤出机制备PP/BN复合材料试样,研究了PP-g-MAH对PP/BN复合材料力学性能的影响。

1 实验

1.1 原料

聚丙烯均聚物(PP),型号:012,密度0.9 g/cm3,山东武胜天然气化工有限公司生产;

六方氮化硼(BN),记为BN-1,粒度20 μm,纯度99%,苏州纳朴材料科技有限公司生产;

六方氮化硼(BN),记为BN-2,型号PBN200,粒度0.5~5 μm,纯度99%,密度0.2~0.3 g/cm3,信阳市德福硼新材料有限公司生产;

聚丙烯接枝马来酸酐(PP-g-MAH),型号:1010,白色颗粒,熔融指数20~50 g/(10 min),密度0.90~0.93 g/cm3,有效官能团0.8~1.2%,合肥中科先行新材料技术有限公司生产。

1.2 主要仪器设备

电热真空干燥箱,DZF-6050,上海坤天实验仪器有限公司;

微型双螺杆挤出机,SJZS-20,武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司;

风冷输送机,SFS-120,武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司;

实验微型切粒机,SQS-180,武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司;

微型注塑机,WZS系列,上海新硕精密机械有限公司;

缺口制样机,XQZH-1,承德市大加仪器有限公司;

摆锤冲击试验机,EPT1100,深圳三思检测技术有限公司;

万能试验机,AI-7000LA-10,高铁科技股份有限公司;

差示扫描量热仪,DSC25,美国TA仪器沃特斯公司;

熔融指数测试仪,FBS-400A,厦门弗布斯检测设备有限公司。

1.3 PP/BN复合材料的制备

采用熔融共混的方式制备PP/BN复合材料,具体步骤如下:分别将一定质量的BN、PP-g-MAH、PP放在真空干燥箱中80 ℃干燥10 h 后,利用SJZS-20双螺杆挤出机挤出切粒,然后采用注塑机220 ℃注塑成型,制备出PP/BN复合材料,含有BN-1和BN-2质量分数均为20%的PP/BN复合材料分别记为PP/BN-1/20%,PP/BN-2/20%,含有BN-1质量分数为25%的PP/BN复合材料记为PP/BN-1/25%。

1.4 测试及表征

拉伸试验:ASTM D638,拉伸速率为10 mm/min。

弯曲试验:GB/T 9341,仪器下降速率为2 mm/min。

冲击试验:GB/T 1043.1-2008。

熔融指数测定:GB/T 3682-2000,温度设定为230 ℃,砝码重量为2 160 g,取5次平均值。

差示扫描量热(DSC)测试,称取实验3~5 mg,先以20 ℃/min升温速率升至200 ℃,恒温5 min,以消除热应力历史,再以10 ℃/min的速率降温至30 ℃,恒温5 min,再以10 ℃/min的升温速率升温至200 ℃。

2 结果与讨论

2.1 PP-g-MAH对PP/BN复合材料力学性能的影响

为了研究相容剂PP-g-MAH对PP/BN复合材料力学性能的影响,对添加不同质量分数的PP-g-MAH相容剂进行了研究,复合材料力学性能变化曲线如图1、图2、图3和图4所示。由图1可以看出,当开始加入少量PP-g-MAH相容剂时,PP/BN复合材料的拉伸强度均降低;同时,PP-g-MAH相容剂对BN填充PP拉伸强度降低有拟制作用,而当PP-g-MAH相容剂添加质量分数为2%时,PP/BN复合材料的拉伸强度不再降低,甚至当继续提高PP-g-MAH相容剂添加质量分数时,PP/BN复合材料的拉伸强度还有略微增加现象,说明相容剂PP-g-MAH有利于增进BN和PP基体的相容性。

图1 拉伸强度与PP-g-MAH质量分数的关系Fig. 1 Relationship between tensile strength and mass fraction of PP-g-MAH

由图2可以看出,PP/BN复合材料的断裂伸长率呈现出与拉伸强度基本上相同的规律。开始加入少量PP-g-MAH相容剂时,PP/BN复合材料的断裂伸长率均降低。当PP-g-MAH相容剂添加质量分数为2%时,PP/BN复合材料的断裂伸长率降低到最低点,然后随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,PP/BN复合材料的断裂伸长率基本上保持不变。

图2 断裂伸长率与PP-g-MAH质量分数的关系Fig. 2 Relationship between breaking elongation and mass fraction of PP-g-MAH

由图3可以看出,当加入少量PP-g-MAH相容剂时,PP/BN复合材料的弯曲强度均逐渐降低。当PP-g-MAH相容剂添加质量分数为2%时,PP/BN复合材料的弯曲强度降低到最低点,然后随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,PP/BN复合材料的弯曲强度开始呈现升高趋势。由图4可以看出,PP/BN复合材料的冲击强度呈现出与弯曲强度相同的规律,当加入少量PP-g-MAH相容剂时,PP/BN复合材料的冲击强度均逐渐降低。但是,当PP-g-MAH相容剂添加质量分数为2%时,PP/BN复合材料的冲击强度降低到最低点,然后随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,PP/BN复合材料的冲击强度开始呈现升高趋势。

图3 弯曲强度与PP-g-MAH质量分数的关系Fig. 3 Relationship between bending strength and mass fraction of PP-g-MAH

图4 冲击强度与PP-g-MAH质量分数的关系Fig. 4 Relationship between impact strength and mass fraction of PP-g-MAH

2.2 PP-g-MAH对PP/BN复合材料熔融指数的影响

图5是相容剂PP-g-MAH对PP/BN复合材料熔融指数的影响情况。从图5可以看出,当加入PP-g-MAH质量分数为2%时,PP/BN-1/20%、PP/BN-2/20%的熔融指数有最大值,且都高于未添加PP-g-MAH时的熔融指数;当PP-g-MAH质量分数为6%时,PP/BN-1/25%的熔融指数有最大值,且高于未添加PP-g-MAH时的熔融指数。但是,当PP-g-MAH的质量分数增加到一定的极限时,促进了PP/BN-1/20%、PP/BN-2/20%中PP-g-MAH与BN的界面间的相容性,使得PP与BN之间的键合力增加,黏度增加,流动性变差,导致熔融指数降低。对PP/BN-1/25%来说,BN的质量分数为25%(高于BN质量分数为20%的PP/BN-1、PP/BN-2);随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,熔融指数逐渐升高,当PP-g-MAH的质量分数为6%时,熔融指数才达到最大值,然后呈降低趋势。

图5 熔融指数与PP-g-MAH质量分数的关系Fig. 5 Relationship Between Melt Index and mass fraction of PP-g-MAH

2.3 PP/BN复合材料的DSC研究

当BN-1填充质量分数为20%时,从PP/BN-1/20%复合材料的DSC曲线(见图6)中得到其DSC数据如表1所示。当BN-2填充质量分数为20%时,从PP/BN-2/20%复合材料的DSC曲线(见图7)中得到其DSC数据如表2所示。当BN-1填充质量分数为25%时,从PP/BN-1/25%复合材料的DSC曲线(见图8)中得到其DSC数据如表3所示。

从图6(a)、图7(a)和图8(a),以及表1、表2和表3中可以看出,随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,结晶温度也增加,并且PP/BN聚合物的降温结晶过程中,PP/BN-1/20%、PP/BN-1/25%的结晶温度基本上保持在126~127 ℃之间,几乎与填充的BN质量分数无关,说明BN质量分数的增加对PP的结晶行为影响较小。由于结晶时PP高分子链的旋转和折叠需要一个过程,随着PP-g-MAH相容剂质量分数的增加,影响了PP/BN复合材料的结晶过程,改善了PP链段的取向程度,从而提高了结晶度。

从图6(b)、图7(b)和图8(b)的曲线,以及表1、表2和表3中可以看出,随着PP-g-MAH质量分数的增加,熔融温度也略有增加;还可发现,PP/BN复合材料熔融温度基本上保持在165 ℃左右,BN的质量分数的增加以及不同类型的BN对PP的熔融温度影响不大。

表1 PP/BN-1/20%复合材料的DSC数据

(a) 非等温结晶热流曲线 (b) 二次升温曲线图6 PP/BN-1/20%复合材料的DSC曲线Fig. 6 The DSC curves of composites of PP/BN-1/20%

表2 PP/BN-2/20%复合材料的DSC数据

(a) 非等温结晶热流曲线 (b) 二次升温曲线图7 PP/BN-2/20%复合材料的DSC曲线Fig. 7 The DSC curves of composites of PP/BN-2/20%

表3 PP/BN-1/25%复合材料的DSC数据

(a) 非等温结晶热流曲线 (b) 二次升温曲线图8 PP/BN-1/25%复合材料的DSC曲线Fig. 8 The DSC curves of composites of PP/BN-1/25%

3 结论

以PP树脂为基体,填充无机BN微粉,采用PP-g-MAH为相容剂,通过双螺杆挤出机制备PP/BN复合材料。当加入PP-g-MAH相容剂的质量分数小于2%时,PP/BN复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均降低。同时,PP-g-MAH相容剂对BN填充PP拉伸强度和断裂伸长率降低有拟制作用,当PP-g-MAH相容剂添加质量分数达到2%时,PP/BN复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和冲击强度不再降低。

当加入少量PP-g-MAH相容剂时,PP/BN复合材料的弯曲强度和冲击强度均降低。但是,当PP-g-MAH相容剂添加质量分数为2%时,PP/BN复合材料的弯曲强度和冲击强度降低到最低点,然后随着PP-g-MAH相容剂添加质量分数的增加,PP/BN复合材料的弯曲强度和冲击强度呈现升高趋势。

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