PP/Talc/MA-SEBS复合材料的力学性能研究

谢晓春

(武汉石化乙烯项目部，湖北 武汉 430082)

聚丙烯(PP)是一种质优价廉的通用塑料，广泛用于工农业生产和日常生活的各个领域。其制品有较突出的机械性能，如屈服强度和拉伸强度较大、表面强度和刚性较优异、耐磨性和耐应力龟裂性出色，耐温性、抗腐蚀性和电绝缘性能也很好[1，2]，但因聚丙烯晶粒粗大而导致的硬度高、韧性差是其较为严重的缺陷之一[3～6]。为发挥PP成本低的优势，以PP代替工程塑料，需要对其改性。国内从20世纪70年代中期开始针对提高PP的冲击强度及低温韧性进行了大量的研究，并取得了重大进展。现有的PP增韧改性方法主要有物理改性法和化学改性法[7，8]。其中物理改性法具有设计灵活、产业化周期短、投入产出比大、性价比高等优点，成为当前高分子材料科学与工程研究中最活跃的领域之一。

无机刚性粒子增韧是近年来研究开发的增韧技术，其最大优点是在提高韧性的同时，不会导致刚性下降，而且在多数情况下，还使刚性有一定程度的提高[4]。为PP综合性能的提高和应用范围的进一步扩大开辟了新的途径。

在决定刚性粒子能否增韧增强PP的诸多因素中，PP基体与刚性粒子间的界面层性能最为重要，因此，改进刚性粒子与PP基体的界面亲和性，提高PP对刚性粒子的浸润能力、减少刚性粒子附聚体尺寸、改善刚性粒子在PP基体中的分散状态成为填充改性的研究重点。

滑石粉(Talc)是一种常用的无机填料，不仅价格低廉，而且在塑料工业常用的各种矿物填料中，其硬度最低，对机械的磨损最小[9]。由于Talc与聚合物树脂缺乏亲和性，界面粘结性差，往往达不到预期增强、增韧的效果。为此，需要加入偶联剂或第三组分作为增容剂，以改善Talc与聚合物之间的界面粘结。目前，国内对Talc填充塑料的开发应用还很有限。

苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)是一种极有前途的热塑性弹性体，具有优异的耐氧化性、耐腐蚀性、耐磨性、柔韧性和电气绝缘性，并可以重复利用；力学性能也较好，断裂伸长率为0～150%，超过了硫化橡胶，因此应用广泛。SEBS为非极性物质，采用极性单体如马来酸酐(MAH)接枝改性SEBS(MA-SEBS)可改善SEBS与极性聚合物的共混效果。

作者在此采用熔融挤出法制备一系列Talc含量不同的含有或不含MA-SEBS的PP复合材料，考察了Talc含量、MA-SEBS含量对复合材料力学性能的影响规律。

1 实验

1.1 原料与仪器

聚丙烯(WH T30S)，武汉石化；滑石粉(2500目)，四川蛇纹矿厂；MA-SEBS(接枝率1.4～1.7)，SHELL化学公司；抗氧剂PW-9225，金海雅宝。

SH-10DQ型高速混合机(有效容量6 L)，北京塑料机械厂；SHJ-30型双螺杆配料混炼挤出机，南京橡塑厂；HN101-2型数显电热鼓风干燥机；WDW-2型拉伸试验机，深圳凯强利股份公司；4465型Instron万能试验机；XJU-22型悬臂梁冲击试验机，河北承德材料试验机厂。

1.2 样品制备

将聚丙烯、Talc、增容剂及PP量1‰的抗氧剂按配方加入高速混合机中充分混合(低速混合2 min，高速混合1 min)。然后将混合好的物料在双螺杆配料混炼挤出机中熔融共混、造粒，机筒温度为190℃、210℃、230℃。所得粒料经干燥机干燥后注射成具有拉伸、弯曲和缺口冲击的综合样条。

1.3 力学性能测试

(1)用悬臂梁冲击试验机测量室温23℃以下样品的冲击强度。

(2)用万能试验机测量样品的弯曲强度和弯曲模量。跨度90 mm，试验速度20 mm·min-1，规定挠度8 mm，负荷5 kN。

(3)用拉伸试验机测试样品的拉伸性能，拉伸速率50 mm·min-1。

2 结果与讨论

2.1 PP/Talc/MA-SEBS复合材料的冲击性能

在优化配方的基础上，考察Talc含量和MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料冲击强度的影响，结果见图1。

由图2可知，不管是无改性活性炭，还是30%HNO3改性活性炭，DBP的去除率都随着活性炭投加量的增加而增加。当无改性活性炭投加量达到0.12g时，DBP去除率达到56%，而30%HNO3改性活性炭投加量在0.12g时，略低于无改性活性炭，DBP去除率为49%。

图1 Talc含量和MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料冲击强度的影响

由图1可以看出，Talc含量为10%时效果较好，加了MA-SEBS后复合材料的韧性更好。虽然Talc含量为5%、MA-SEBS含量为10%时复合材料的冲击强度最大，但此时增韧的贡献已不单单来自Talc，MA-SEBS也作为增韧剂在起作用。Talc含量超过10%时，由于二、三组分引入过多，破坏了复合材料的连续相，未与PP结合或与之相容性不好的Talc增加，成为了裂纹引发的应力集中点，导致复合材料的冲击强度反而下降。

由图1还可以看出，加入MA-SEBS可以提高复合材料的冲击强度；Talc含量相同时，MA-SEBS含量越大，复合材料冲击强度越大，但并不成比例；MA-SEBS含量为10%时，随着Talc含量的增加，复合材料的冲击强度呈减小趋势。

MA-SEBS的加入，改善了两相的相互作用，因此，Talc含量为20%时，添加MA-SEBS后复合材料的冲击强度下降缓和。对Talc含量为5%、MA-SEBS含量为5%的复合材料而言，MA-SEBS除了作为相容剂，也充当增韧剂，此时的冲击强度相对于未加MA-SEBS的增幅最大；而Talc含量为10%、MA-SEBS含量为5%时，MA-SEBS主要起增容作用，增韧作用稍差；Talc含量为20%、MA-SEBS含量为5%时，MA-SEBS只起增容作用，Talc的量虽然大，但MA-SEBS加入使之分散性好，Talc的增韧效果明显，复合材料的冲击强度相对未加MA-SEBS增加较多。MA-SEBS含量增至10%时，其增韧效果更加明显，尤其是Talc含量为5%时，由于MA-SEBS的增韧能力要强于Talc，因此此时复合材料的冲击强度最大，但随着Talc含量的增加，MA-SEBS的增韧作用受到了削弱，冲击强度缓慢减小。

2.2 PP/Talc/MA-SEBS复合材料的弯曲性能

考察Talc含量和MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响，结果见图2。

图2 Talc含量和MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料弯曲强度(a)和弯曲模量(b)的影响

由图2可以看出，加入Talc后复合材料的弯曲强度明显增大，但Talc含量大于5%后，继续添加Talc，弯曲强度增幅不大；加入Talc后复合材料的弯曲模量也明显增大，且Talc含量越大，弯曲模量增幅越大。这是因为，刚性粒子Talc增加了复合材料的刚性，而且增加的刚性由Talc单独贡献，因此，Talc含量越大，复合材料的弯曲模量增加越大。复合材料承受弯曲载荷的能力与PP基体树脂结合Talc有关，但PP结合Talc的能力有限，并不随Talc含量的增加而持续增大，故Talc含量大于5%后复合材料的弯曲强度增幅不大。

由图2还可以看出，加入MA-SEBS后，复合材料的弯曲模量和弯曲强度均随着MA-SEBS含量的增加逐渐下降。

MA-SEBS为弹性体，它的加入必然增加复合材料的弹性，也即削弱复合材料的刚性，且MA-SEBS量越大，复合材料刚性越差，此外MA-SEBS与Talc的结合也削弱了Talc对复合材料刚性的贡献，因此，加入MA-SEBS后复合材料的弯曲模量明显下降。同时，MA-SEBS抗弯曲载荷能力极低，它的加入也必然会降低复合材料的弯曲强度，相对来说，Talc对PP/Talc/MA-SEBS复合材料弯曲强度的影响较小。MA-SEBS含量为5%造成的弯曲强度与弯曲模量下降尚可以通过添加Talc弥补，使复合材料弯曲强度和弯曲模量不低于纯PP的水平。而MA-SEBS含量为10%时则严重削弱了复合材料的弯曲性能，不可取。

2.3 PP/Talc/MA-SEBS复合材料的拉伸性能

图3 MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料拉伸性能的影响

由图3可以看出，加入MA-SEBS后，复合材料韧性明显增强，断裂伸长率增至原来的2～3倍，在MA-SEBS含量为5%时最大。但复合材料的屈服强度下降，MA-SEBS含量越高，下降幅度越大。

固定MA-SEBS含量为5%，考察Talc含量对复合材料拉伸性能的影响，结果见图4。

图4 Talc含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料拉伸性能的影响

由图4可以看出，MA-SEBS含量为5%，复合材料的屈服强度比纯PP低；Talc含量为5%、10%时，复合材料的韧性增强，断裂伸长率为纯PP的2～3倍；Talc含量为20%时，复合材料的韧性下降，断裂伸长率约为纯PP的一半。

考察MA-SEBS含量和Talc含量对复合材料拉伸强度的影响，结果见图5。

图5 Talc含量和MA-SEBS含量对PP/Talc/MA-SEBS复合材料拉伸强度的影响

由图5可以看出，单纯加入Talc对PP的拉伸强度无负面影响，Talc含量小于10%时，复合材料的拉伸强度比纯PP略有上升；Talc含量为10%时，复合材料的拉伸强度最大；Talc含量大于10%后，复合材料的拉伸强度略有下降；Talc含量为20%时，复合材料的拉伸强度与纯PP相当。这是因为，一定量的Talc利于PP分子链取向，使得承受外力的取向主链数目增加，材料的拉伸强度增大；在其含量不大于10%时，Talc对PP具有增强作用。过量Talc隔断了PP分子链间的关系，削弱了范德华力，材料的拉伸强度反而下降。

由图5还可以看出，加入MA-SEBS后，复合材料的拉伸强度随MA-SEBS含量的增加明显下降，且Talc含量越大，下降趋势越快；MA-SEBS含量相同时，Talc含量为20%的复合材料拉伸强度最小。当Talc和MA-SEBS含量均最大时，拉伸强度最小。这是因为，MA-SEBS的加入破坏了Talc对PP的增强作用，中断了连续相，使复合材料的拉伸强度下降；而且大量的MA-SEBS对PP来说起了稀释作用，减小了分子间作用力，也导致复合材料的拉伸强度下降。

3 结论

(1)单纯加入一定量Talc可以提高PP冲击强度，Talc含量为10%效果最好。MA-SEBS的加入，改善了Talc与PP树脂的相互作用，使Talc/PP复合材料的冲击强度进一步提高；MA-SEBS除了作为相容剂，也充当增韧剂；随着Talc含量的增加，MA-SEBS的增韧效果下降。

(2)加入Talc使复合材料的弯曲强度明显增大，弯曲模量随Talc含量的增加而变大。MA-SEBS使复合材料的弯曲模量和弯曲强度明显下降，MA-SEBS含量为10%时严重改变了复合材料的弯曲性能，不可取。

(3)单纯加入Talc对PP的拉伸强度无负面影响。若同时加入Talc和MA-SEBS，复合材料的拉伸强度明显下降，且MA-SEBS量越大，降幅越大。

(4)本实验范围内，Talc含量为10%、MA-SEBS含量为5%的PP/Talc/MA-SEBS复合材料的综合力学性能最好。

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