劉朝福，史雙喜，韋雪巖

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西省桂林市 541004）

聚丙烯/滑石粉復合材料的制備及其力學性能

劉朝福，史雙喜，韋雪巖

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西省桂林市 541004）

用經(jīng)偶聯(lián)劑改性的滑石粉（Talc）與聚丙烯（PP）共混制備PP/Talc復合材料，測試了復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度等，并探討了Talc含量對復合材料力學性能的影響機理。結果表明：Talc含量對復合材料力學性能有明顯影響，復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度均隨Talc含量的增加而增大，但均會出現(xiàn)拐點，即當Talc含量分別超過18%，20%，8%時，復合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度卻隨Talc含量的增加而逐步降低。

聚丙烯 滑石粉 復合材料 拉伸強度 彎曲強度

聚丙烯（PP）的分子極性小，結晶程度高，具有耐熱、耐候、易加工成型、力學性能優(yōu)良等優(yōu)點，但PP也存在成型收縮率大、韌性差等缺點，因此，需要對PP進行改性［1］。PP改性中最簡單、最有效的方法之一是用滑石粉（Talc）填充改性，即將Talc填充到PP中，制備PP/Talc復合材料［2］。實踐表明，用Talc填充的PP塑料，不僅可以顯著增加塑料制品的尺寸穩(wěn)定性，而且可以大幅降低生產(chǎn)成本；但加入Talc對復合材料的力學性能會產(chǎn)生較大影響［3-5］。

本工作制備了Talc含量不同的PP/Talc復合材料，測試了其拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等，探討了復合材料中Talc含量與力學指標的關系，并對其影響機理進行了初步研究，為PP的工業(yè)化改性與制備提供了理論與實踐指導。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP，注塑級，熔體流動速率（MFR）為13 g/10 min，茂名石化東成化工有限公司生產(chǎn)；Talc，塑料用微細級，平均粒徑為10 μm，中值粒徑（D50）為9.0 μm，比表面積3.3 m2/g，廣西龍廣滑石開發(fā)股份有限公司生產(chǎn)；偶聯(lián)劑，異丙辛基三酰氧基鈦酸酯，XY-2102，南京旭楊化工有限公司生產(chǎn)；助黏劑，馬來酸酐接枝聚丙烯，注塑級，MFR為110 g/ 10 min，廣州金發(fā)科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要設備

SHJ-36型雙螺桿擠出機，南京恒奧機械有限公司生產(chǎn)；PL1200/370型注塑機，寧波海天塑機集團無錫天翔注塑機有限公司生產(chǎn)；YHS-216D-200Kg（2KN）型電子萬能材料試驗機，上海益環(huán)儀器科技有限公司生產(chǎn)；PTM1200型擺錘沖擊試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)；注塑模具，自制。

1.3 工藝流程與測試方法

110 ℃條件下將Talc干燥2 h，用偶聯(lián)劑對Talc進行表面活化處理，得到Talc填料；將Talc填料、PP、質(zhì)量分數(shù)為1.5%的助黏劑等按一定比例加入高速混合機進行混合，用雙螺桿擠出機擠出［擠出溫度（190+5）℃］、切粒、烘干，利用注塑機和模具進行注塑成型，得到標準尺寸的試驗樣條。注塑過程采用多級注射成型控制工藝，主要工藝參數(shù)見表1。

表1 注塑工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of injection molding

試驗中，拉伸強度按ISO 527-1：2012測試，拉伸速度為50 mm/min；彎曲強度按ISO 178：2010測試，測試速度為2 mm/min；沖擊強度按ISO 179-1：2000測試。

2 結果與討論

2.1 Talc用量對PP/Talc復合材料拉伸強度的影響

拉伸強度及彈性模量反映了材料抵抗外力破壞的能力，是受力塑件在選擇材料時的首要參考指標［6］。從圖1看出：當w（Talc）由0增加至10%時，復合材料的拉伸強度從32.0 MPa增加至34.5 MPa，提高了2.5 MPa。由此可見，Talc對PP有一定的增強效果，Talc在PP的結晶過程中起到成核劑作用，Talc的加入提高了PP的結晶度，而高聚物在結晶過程中，結晶度越高，其強度也越高［7-9］；但當w（Talc）超過20%時，復合材料的拉伸強度隨Talc用量的增加而呈下降趨勢，其原因可能是Talc用量超過了PP結晶所需的最大成核劑用量，Talc開始以顆粒形式存在于PP中，對PP分子鏈造成了一定程度的隔斷作用，從而導致了復合材料的總體強度降低。彈性模量用來衡量材料抵抗彈性變形能力，其值越大，材料發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大。從圖1還可以看出：Talc對復合材料的彈性模量影響很大，隨著Talc用量的增加，復合材料的彈性模量大幅增加，意味著復合材料的剛度增加顯著。

圖1 Talc用量對復合材料拉伸強度和彈性模量的影響Fig.1 Influence of Talc contents on tensile strength and elasticity modulus of Talc/PP composites

2.2 Talc用量對PP/Talc復合材料彎曲強度的影響

從圖2可以看出：隨著Talc用量的增加，復合材料的彎曲強度先逐步增大再急速下降。其原因可能是，當w（Talc）小于18%時，Talc以粒子的形式包埋在PP基體中，對PP分子鏈的松弛、斷裂起阻礙作用，從而提高了復合材料的彎曲強度；但當

w（Talc）大于18%時，Talc開始以粉團的形式存在，這些粉團在受到剪切、擠壓時會發(fā)生破碎，從而導致PP/Talc復合材料的彎曲強度下降，Talc用量越高，形成的粉團越多，材料的彎曲強度下降就越明顯［10-11］。

2.3 Talc用量對PP/Talc復合材料沖擊強度的影響

沖擊強度反映了材料抵抗沖擊破壞的能力，是工作中承受沖擊震動的塑件在選擇材料時的重要參考指標［6］。從圖3可以看出：復合材料在室溫（23 ℃）條件下的沖擊強度隨Talc用量的增大而緩慢增加，再逐步降低。原因可能與Talc應力集中效應有關，Talc的填充會對復合材料產(chǎn)生應力集中效應，當Talc用量較小時，Talc導致其周圍的PP產(chǎn)生微開裂，這些極其微細的裂紋可以在沖擊過程中吸收一定的沖擊功，從而能有限地提高復合材料的沖擊強度［12］；同時，由于偶聯(lián)劑的作用，Talc粒子和PP基體的界面連接良好，整個復合體系形成了良好的網(wǎng)狀結構，這有利于應力的勻化和傳遞，從而使復合材料變得更堅韌；而且，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理，具有良好界面黏接性能的Talc粒子會形成一種“ 釘扎”效應，即較為堅硬的Talc粒子對其周圍的PP分子鏈團形成了強化效應，使微裂紋難以順利通過，當微裂紋無法穿過Talc粒子而繼續(xù)前進時，會被迫轉變延展方向而形成弧形［8］。因此，Talc含量越高，破壞該材料則需要更多的能量，結果是復合材料的沖擊強度提高。當w（Talc）大于8%時，Talc粒子會過于接近，微細裂紋就擴大為宏觀裂紋，導致復合材料的沖擊強度下降。

圖2 Talc用量對復合材料彎曲強度的影響Fig.2 Influence of Talc contents on bending strength of Talc/PP composites

圖3 Talc用量對復合材料沖擊強度的影響Fig.3 Influence of Talc contents on impact strength of Talc/PP composites

3 結論

a）PP/Talc復合材料的彈性模量隨Talc用量的增加而增大。

b）當w（Talc）小于20%時，復合材料的拉伸強度隨Talc用量的增加而增大；當w（Talc）大于20%時，復合材料的拉伸強度隨Talc用量的增加而逐步降低。

c）當w（Talc）為18%時，復合材料的彎曲強度達到最大值；當w（Talc）大于18%時，復合材料彎曲強度隨Talc用量的增加而迅速下降。

d）室溫（23 ℃）條件下，當w（Talc）小于8%時，復合材料沖擊強度隨Talc用量的增加而緩慢增加；當w（Talc）大于8%時，復合材料的沖擊強度隨Talc用量的增加而逐步降低。

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Preparation and mechanical properties of PP/Talc composites

Liu Chaofu，Shi Shuangxi，Wei Xueyan
（Institute of Information Technology， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

The polypropylene（PP）/talcum powder（Talc）composites were prepared by blending PP and Talc modified by coupling agent. The main mechanical properties of the composites were tested， which include tensile strength， bending strength and impact strength. The impact of Talc content on the mechanical properties of the composites were discussed as well. The results show that the content of Talc contributes much on the mechanical properties of the composites. The tensile strength， bending strength and impact strength of the composites are all improved with the increase of talcum powder， while inflection point exist in the curves，namely， when the content of Talc exceeds 18%， 20% and 8%， the tensile strength， bending strength and impact strength of the composites decrease respectively.

polypropylene； talcum powder； composite； tensile strength； bending strength

TQ 325.1+4

B

1002-1396（2017）01-0041-03

2016-07-27；

2016-10-26。

劉朝福，男，1976年生，副教授，高級工程師，現(xiàn)從事材料成型與模具技術方面的研究工作。聯(lián)系電話：13768335204；E-mail：690529692@qq.com。

2013—2015年廣西自然科學基金（2013GXNSFBA 019245）。