丙纶纤维自增强聚丙烯树脂的研究*

敖玉辉，孙阳阳，陈 刚，陈丽岩，李连贵

（长春工业大学 化学与生命科学学院，吉林 长春130012）

聚丙烯（PP）具有良好的物理机械性能，耐化学腐蚀性和易加工成型等特点，但PP也存在强度不高、成型收缩率大、制品易翘曲等缺点。因此，对PP增强改性是国内外研究的热点领域[1]。目前，PP纤维增强改性多以玻璃纤维，天然植物纤维等为主，这些增强纤维虽然可以提高材料的强度，但与此同时大大降低了材料的韧性，影响了材料的使用[2-4]。本文拟用丙纶纤维自增强改性PP，其目的在于通过丙纶纤维对PP树脂增强的同时，保持丙纶纤维/PP复合材料具有很好的韧性，制备出一种综合性能好于上述纤维增强PP的新材料。据我们所知，有关丙纶纤维增强PP的研究还未见报道。因此，研究丙纶纤维/PP复合材料具有重要的理论和应用价值。

本文选取丙纶纤维为增强体，PP为基体。研究了不同温度、丙纶纤维用量对复合材料力学性能的影响，并通过SEM对复合材料微观结构进行了研究。

1 实验部分

1.1 主要原料、设备及仪器

丙纶纤维（240D、900D广东恒通工业有限公司）；聚丙烯树脂（K8303粒料MFR为2.0g·10min-1密度为0.92 g·cm-3中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司）。

TM-80型色织打样机（江苏省常熟市碧溪纺织机械厂）；Rheocord 90型Haake转矩流变仪（美国Perkin Elmer公司）；HD-015型平板硫化机（青岛亚东橡塑机械有限公司）；3365型材料试验机（美国Instron公司）；AJU-22型悬臂梁冲击实验机（承德材料实验机厂）；JSM-5600型扫描电子显微镜（SEM）（日本电子公司）。

1.3 试样的制备

（1）丙纶纤维的编织 使用色织打样纸将不同纤度的丙纶纤维240D和900D在经密70根/10cm、纬密75根/10cm的条件下，纺织成平纹的织物，织物幅宽为28cm。织物表面形态见图1。图1（a）是丙纶纤维240D平纹机织物，图1（b）是丙纶纤维900D平纹机织物。

图1 丙纶纤维平纹机织物Fig.1 Plain fiber of polypropylene fiber

（2）丙纶纤维/PP复合材料的制备 将PP粒料经转矩流变仪混合后，用平板硫化机热压成板材，热压温度为190℃，压力为5 MPa。

固定丙纶纤维用量为5%，夹在制备好的PP板材中，放入平板硫化机中热压，热压温度为175～205℃，压力5MPa，制备复合材料板材。固定热压温度为195℃，丙纶纤维按层数添加，纤维用量为PP用量的5%、10%、15%、20%（质量分数），制备复合材料板材。

用哑铃型刀具把复合材料板材裁成标准样条，测试拉伸强度，用万能制样机把样条裁成标准样条，打好缺口，测试缺口冲击强度。

1.4 材料性能测试

拉伸强度按ASTM-D638测试，拉伸速度为50mm·min-1，测试温度为23℃；缺口冲击强度按ASTM-D256测试，测试温度为23℃。

1.5 微观结构观察

为了避免变形，将丙纶纤维/PP复合材料样品置于液氮中冷冻5h，取出立即脆断，喷金后进行扫描电镜（SEM）观察。

2 结果与讨论

2.1 丙纶纤维对复合材料拉伸强度的影响

图2是聚丙烯拉断试样和加入丙纶纤维后拉断试样比较图。

图2 聚丙烯拉断试样和加入丙纶纤维后拉断试样比较图Fig.2 Comparison of polypropylene tension fracture samples and adding polypropylene fiber

从图2中可以看出，在拉伸过程中，聚丙烯的“颈缩”现象非常明显，而复合材料这一现象不明显，出现“发白”现象后，随之断裂，脆性大，断裂口有少量裂纹，加入纤维后复合材料断裂伸长率变小[5]。

2.1.1 热压温度对复合材料拉伸强度的影响 在热压的过程中，很重要的一个问题是基体树脂能够充分的浸润丙纶纤维，这就和聚丙烯在高温下的粘度有关。温度过低时，树脂流动性小，不能充分的浸润纤维，随着温度的升高，分子间的相互作用力减弱，聚合物的熔体粘度降低，流动性增大，可以充分的浸润丙纶纤维，使得基体与纤维有良好的界面结合，能够提高复合材料的力学性能[6]。温度过高时，丙纶纤维分解脆化，网状结构被破坏，从而影响所制备的复合材料的力学性能。

图3是不同温度下，纤维纤度为240D和900D的丙纶纤维对复合材料的拉伸强度影响的关系图。

图3 不同温度下，240D和900D的丙纶纤维对复合材料的拉伸强度影响的测试图Fig.3 Effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite under different temperatures

从图3中可以看出，随着温度升高，复合材料的拉伸强度呈先升后降的趋势，在195℃时拉伸强度最高。因此，本文选取的最佳实验温度为195℃。

2.1.2 丙纶纤维用量对复合材料拉伸强度的影响 本文选取的最佳实验温度为195℃。在此温度下，将丙纶纤维按层数添加，纤维用量为PP用量的5%、10%、15%、20%（质量分数），研究纤维用量对复合材料力学性能的影响。图4是纤度为240D和900D丙纶纤维用量对复合材料拉伸强度影响的关系图。

图4 240D和900D丙纶纤维用量对复合材料拉伸强度影响的测试图Fig.4 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on tensile strength of composite

从图4中可以看出，随着复合材料中纤维用量的增多，丙纶纤维/PP复合材料的拉伸强度呈现先升后降的趋势，在纤维用量为15%时强度达到最高点，240D丙纶纤维/PP复合材料拉伸强度可达25.46MPa，900D丙纶纤维/PP复合材料拉伸强度可达26.88MPa。当纤维用量超过15%以后，拉伸强度有所下降。这是因为纤维用量较少时，丙纶纤维网状结构作为承载体可以承担部分载荷，丙纶纤维与PP产生了较好的协同效果，使得拉伸强度上升，而纤维用量较多时，纤维含量过大，无法被基体充分浸润，纤维与基体树脂间界面结构变得比较复杂，这样，破坏了复合材料的拉伸性能，导致拉伸强度降低[7-9]。

2.2 丙纶纤维用量对复合材料冲击强度的影响

图5是纤度为240D和900D丙纶纤维用量对复合材料冲击强度影响的关系图。

从图5中可以看出，加入丙纶纤维后复合材料缺口冲击强度呈现逐渐下降趋势。聚丙烯基体为韧性材料，一般对复合材料的断裂韧性有较大的贡献，但是，由于纤维的加入严重限制了基体的变形，从而大大降低了基体对复合材料断裂韧性的贡献[10]。随着纤维用量的增加，复合材料冲击强度小幅度下降，当纤维用量到20%时，冲击强度仍保持在400 J·m-1以上，呈现韧性断裂。

图5 240D和900D丙纶纤维用量对复合材料冲击强度影响的测试图Fig.5 Amount effect of 240D and 900D polypropylene fiber on impact strength of composite

2.3 丙纶纤维/PP复合材料断面形貌分析

复合材料的界面是外加载荷通过基体向增强材料传递的枢纽，界面的性能对复合材料的力学性能及破坏行为有着重大的影响，为了使纤维增强复合材料充分发挥材料的增强作用，必须在增强材料与基体之间形成有效的界面粘结[11]。采用丙纶纤维增强PP得到的复合材料从微观上看，这种复合材料骨架是丙纶纤维，基体是PP树脂，在共同组成的复合结构中，其所起的作用是不同的。树脂基体使纤维粘结固定，并保护纤维，使其处于稳定状态，树脂基体在拉伸应力作用下可产生塑性移动，从而将载荷传递到纤维上，由纤维来承担载荷[11]。

图6是丙纶纤维/PP复合材料断面的SEM照片。

图6 复合材料断面的SEM照片Fig.6 SEM for fracture surface of composite

图6（a）、（b）是 175℃和 180℃时丙纶纤维 /PP复合材料断面的SEM照片。从图6（a）、（b）中可以明显看出，丙纶纤维表面与PP基体间界面结合不好，有缝隙，并有纤维拔出的现象，这种界面结合状态会导致强度较低，这与其力学性质相一致。

图6（c）、（d）是 185℃和 195℃时丙纶纤维 /PP复合材料断面的SEM照片。从图6（c）、（d）中可以看出丙纶纤维与PP树脂间界面结合紧密，树脂紧紧包围纤维并进入纤维内部。从断面可以看出纤维呈直立的拉断状态，说明纤维承受了大部分载荷，起到了承力作用，这种良好的界面结合状态会使复合材料强度升高，这点由图2中力学实验数据可以得到验证。

图6（e）是200℃时丙纶纤维/PP复合材料断面的SEM照片。从图6（e）中可以看，出温度过高使得丙纶纤维熔化，破坏了丙纶纤维的网状结构，这种结构反而会导致材料的强度降低。

3 结论

（1）温度对丙纶纤维/PP复合材料的界面粘结度有影响，选择适当的热压温度有利于界面结合，进而会提高复合材料的强度，本实验最佳热压温度为195℃。

（2）对于加入不同比例的丙纶纤维，随着纤维用量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐增强，并且在纤维含量是15%时拉伸强度达到最高点，而后降低。复合材料冲击强度随着纤维用量增加呈小幅度降低趋势。

（3）复合材料的扫描电镜照片表明：两种材料间的不同界面结合对丙纶纤维/PP复合材料的力学性能具有显著影响，良好的界面结合会提高材料的力学性能。

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