朱曉東

（嘉興學(xué)院，浙江嘉興 314000）

經(jīng)濟(jì)全球化帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也促進(jìn)了高分子行業(yè)的迅速發(fā)展。人們對物質(zhì)水平要求的提高也促使高分子材料的研究方向向多功能、多樣性方向發(fā)展。作為新科技革命的三大根基之一，高分子材料在航天、軍工、基礎(chǔ)設(shè)施、日常生活中一直發(fā)揮著舉足輕重的作用。聚丙烯（PP）作為僅次于聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）之后的五大通用塑料，其作用越來越廣泛，涉及包裝、電子、汽車等，具有耐化學(xué)腐蝕性、耐熱性、絕緣性和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良特性。但是，聚丙烯分子結(jié)構(gòu)中每個鏈節(jié)上都帶有甲基，使得鏈柔性下降，且較大的球晶粒使其具有耐低溫沖擊性差、耐候性不佳和易老化等缺點(diǎn)，可以通過改性來克服。聚丙烯的物理改性主要是在基料混合、混煉過程中添加有機(jī)或無機(jī)助劑，從而得到高性能的聚丙烯合成材料。本文以超細(xì)鋁粉作為無機(jī)助劑，對聚丙烯進(jìn)行物理改性，得到鋁粉/聚丙烯復(fù)合材料，并測定其力學(xué)性能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

超細(xì)鋁粉，洛陽三兄弟金屬材料有限公司；液相本體法生產(chǎn)的聚丙烯樹脂顆粒，BASELL公司。

1.2 主要設(shè)備和儀器

SHJ-50雙螺桿擠塑機(jī)，江蘇新達(dá)科技有限公司；HM-300萬能粉碎機(jī)，鄭州朋達(dá)機(jī)械設(shè)備有限公司；FT1500申達(dá)注塑機(jī)，重慶宏高塑料機(jī)械有限公司；AG-X Plus萬能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，日本島津；XL3-E紅外光譜儀，日本電子公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將聚丙烯和鋁粉以1∶1、1∶3、1∶5、1∶9、1∶13和1∶17配比均勻混合，取100 g共混物分別加入單螺桿擠塑機(jī)，設(shè)置溫度為180～210 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速150 r/min，擠塑成型冷卻后放入萬能粉碎機(jī)中再次混合，之后將再次混合的粉末注入鑄塑機(jī)中成型加工，成板材狀后放在常溫下24 h后，可進(jìn)行力學(xué)性能的測定和紅外檢測。

1.4 力學(xué)性能測試方法

經(jīng)混合后的產(chǎn)品經(jīng)過注塑機(jī)制成標(biāo)準(zhǔn)樣條后放在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)定好參數(shù)進(jìn)行力學(xué)測試，記錄復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。

1.5 紅外檢測條件

制備溴化鉀空白片和樣品壓片。將壓制好的溴化鉀空白片（不含樣品的溴化鉀空片）放入光譜儀樣品倉內(nèi)的樣品架上。點(diǎn)擊測定按鈕下的背景按鈕，輸入光譜名稱，確認(rèn)采集參比背景光譜。背景譜圖采集完畢后，將待測樣品片放入光譜儀內(nèi)，關(guān)上倉蓋，電腦進(jìn)行譜圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料力學(xué)性能分析

2.1.1 屈服強(qiáng)度

力學(xué)性能一般用來研究材料承受外載荷而不失效的能力，同時(shí)在復(fù)合材料中可以表征填料在基體中的分散情況。經(jīng)圖1分析可知，隨鋁粉含量的增加，鋁粉/聚丙烯復(fù)合材料的最大屈服強(qiáng)度-應(yīng)力呈快速下降趨勢，當(dāng)鋁粉與聚丙烯含量之比為1∶1時(shí)，屈服強(qiáng)度-應(yīng)力為28.877 MPa，比純聚丙烯（最大屈服強(qiáng)度-應(yīng)力約在28 MPa）增加了約3.17%，說明少量的鋁粉可以增加聚丙烯的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)增加鋁粉含量時(shí)，鋁粉/聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐漸下降，直至比例為1∶13時(shí)下降趨緩。這主要是因?yàn)楫?dāng)鋁粉含量≤50%時(shí)，聚丙烯基體在復(fù)合材料中占主導(dǎo)地位，鋁粉零散地分布在聚丙烯中，破壞了其分子鏈，與其發(fā)生機(jī)械互鎖作用，因此復(fù)合材料的力學(xué)性能得以增強(qiáng)；但隨著鋁粉含量不斷增加，聚丙烯含量相應(yīng)減少，聚丙烯在鋁粉內(nèi)部孔隙和表面的接觸面積降低，不能起到良好的粘接作用，鋁粉小顆粒容易聚集，從而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)。

圖1 板材狀鋁粉聚丙烯復(fù)合材料屈服強(qiáng)度測定

2.1.2 斷裂強(qiáng)度

在聚丙烯成型過程中，將填充物鋁粉加入其中，可以使聚丙烯的耐熱性提高、剛性增強(qiáng)、成型收縮率降低。根據(jù)圖2分析可知，復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度-載荷會隨著鋁配比的增加而降低，且在配比為1∶1左右出現(xiàn)斷裂點(diǎn)-載荷的最大值，即復(fù)合材料的抗沖擊性能好。

圖2 板材狀鋁粉聚丙烯復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度測定

2.2 復(fù)合材料紅外檢測結(jié)果

圖3為聚丙烯混合鋁粉前后的紅外光譜圖。鋁粉的過量混入會影響聚丙烯中甲基的空間位置，使-CH3向低波數(shù)移動，從而使聚丙烯的規(guī)整度下降，結(jié)晶度下降，復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度隨之降低。共混方法獲得的復(fù)合材料可稱作高分子合金，其力學(xué)性能主要取決于分散相和連續(xù)相之間的相容性、兩相界面的相互作用和比例含量。根據(jù)詹茂盛等人[1]對高分子合金的力學(xué)性能與分散粒子徑關(guān)系的研究，平均分散粒子徑在1～2 μm的高分子合金具有高抗沖擊性，過小或過大都會使沖擊力減弱，兩相界面比例含量越高，其接觸機(jī)率和相互作用越高，鋁粉粒子在聚丙烯基體中應(yīng)力集中，裂紋易在密度高的鋁粉處出現(xiàn)，導(dǎo)致抗沖擊性下降。因此，在制備鋁粉/聚丙烯復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)控制好鋁粉與聚丙烯材料的比例。

圖3 紅外光譜圖

鋁粉/聚丙烯復(fù)合材料具有較低的成型收縮率，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如抗沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度，可運(yùn)用于汽車保險(xiǎn)杠中代替?zhèn)鹘y(tǒng)合金，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度較高、不易變形和易加工成型等特點(diǎn)。通過共混改性來提高聚合物的性能已經(jīng)成為未來開發(fā)高性能復(fù)合材料的重要手段，而選擇某種具有特殊功能的填料并研究與基料的最佳配比對賦予復(fù)合材料新的特殊性能也具有重要作用。

3 結(jié)論

共混復(fù)合材料的力學(xué)性能受鋁粉/聚丙烯含量比例的影響，當(dāng)比例為1∶1時(shí)，其最大屈服強(qiáng)度-應(yīng)力會出現(xiàn)最大值，約為28.877 MPa，具有較好的綜合力學(xué)性能。但是在大于1∶1比例時(shí)，隨著鋁粉含量增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸降低。