碱式硫酸镁晶须/聚丙烯复合材料力学性能的研究

2012-09-06姜玉芝张丽丽张忠阳王利华

沈阳理工大学学报 2012年4期

姜玉芝，张丽丽，张忠阳，王利华

(沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110159)

碱式硫酸镁晶须［1－5］是一种功能性的单晶纤维，外表纤细、光滑，具有很好的增强和阻燃等性能。其组成［1］可用通式 xMgSO4·yMg(OH)2·zH2O表示，称为xyz碱式硫酸镁晶须，其中MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O、MgSO4·5Mg(OH)2·2H2O是研究较多的两种(本文研究前者)，具有无毒、发烟量小、增强和阻燃性好等特性，热分解开始温度为260℃。将碱式硫酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复合材料，具有补强作用，还可实现良好的阻燃，从而达到增强阻燃的双重效果［6］，这将对防火性能要求越来越严格的阻燃材料产生深远影响。对晶须表面进行适当的改性，可提高其与基体的相容性［7］。本实验主要研究晶须表面改性的效果及用量对MOS/PP基复合材料力学性能的影响，探讨复合材料获得综合性能最佳时晶须的改性剂及添加量，为未来晶须的量化生产及应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 实验原料

153碱式硫酸镁晶须是以菱镁矿为原料，采用水热法在实验室制备，其直径≤0.5μm，平均长径比为50左右，表面光滑、笔直无弯曲。聚丙烯(PP)原料是市场购买的合格产品。

1.2 碱式硫酸镁晶须的改性

1.2.1 硬质酸锌表面化学改性MOS

采用国内已有的研究成果，利用硬脂酸锌对制得的碱式硫酸镁晶须进行表面改性处理。称取一定量碱式硫酸镁晶须置于烧杯中，配成料浆后置入一定温度的恒温水浴，用电动搅拌器搅拌，使晶须充分分散成悬浮液待恒温后，加入用无水乙醇溶好的一定量硬酯酸锌，在一定搅拌速度下进行表面改性，改性一定时间后将样品在室温下静止冷却，用去离子水洗涤、过滤、干燥，得到硬脂酸锌改性的MOS。

1.2.2 微乳液聚合改性MOS

(1)将一定量的乳化剂加入蒸馏水中配置成水溶液，加入一定量的丙烯酸正丁酯混合均匀后，徐徐加入MOS，搅拌升温至60～70℃。

(2)在烧杯中配制马来酸酐水溶液，加入一定量引发剂搅拌均匀，转至滴液漏斗中。

(3)将(2)配制的马来酸酐溶液在30min内滴加到(1)的混合反应体系中，升温至85℃，保温2h。取出乳液并破乳，经蒸馏水充分洗涤，抽滤、干燥得到微乳液改性的MOS。

1.3 复合材料制备

利用XSS-300型转矩流变仪，控制制备参数，晶须的添加量分别为10%、20%、30%、40%、50%和60%，分别制备出不同改性剂改性的MOS/PP复合材料。利用XCV100型平板硫化机，按国标GB/T16421－1996Ⅱ2型试样标准，控制成型温度为175℃，制备出聚丙烯基复合材料力学性能检测试样。按国标GB/T1843/U标准，制备出长l=80±2mm，宽 b=10.0±0.2mm，厚 h=4.0±0.2mm的无缺口冲击试样，用于悬臂梁冲击强度检测试样。

1.4 材料性能测试

按国标GB/T16421-1996Ⅱ2型试样标准，在室温25℃，拉伸速度为20×(1±10%)mm/min下，对复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量等进行测定，实验结果取3个试样平均值。

按国标GB/T1843-2008的标准，在室温25℃下，对复合材料进行无缺口冲击强度测定。实验选用的冲击方式为侧向平行冲击，实验结果取3个试样平均值。

2 结果与分析

2.1 改性剂及晶须用量对复合材料力学性能的影响

不同改性剂改性的MOS及晶须用量对复合材料力学性能的影响如图1～图4所示。

图1为复合材料的拉伸强度随晶须含量的变化曲线。随晶须含量的增加，复合材料的拉伸强度均低于基体的拉伸强度。将三条曲线对比不难看出，硬脂酸锌改性后的晶须复合材料拉伸强度最大，微乳液改性晶须复合材料的最小，未改性的MOS/PP复合材料的性能介于两者之间。

图2为复合材料的弹性模量随晶须含量的变化曲线。当晶须含量为20%时，硬脂酸锌改性MOS/PP的弹性模量达最大值309.66MPa，比PP基体的215.76MPa提高了43.52%。MOS/PP复合材料的弹性模量不断增加。当晶须含量为30%时，微乳液共聚改性MOS/PP复合材料的弹性模量为225.60MPa，略微大于PP基体值，整体趋势远不及硬脂酸锌改性的晶须复合材料。相比之下，硬脂酸锌改性MOS/PP复合材料的弹性模量大，微乳液共聚改性MOS/PP复合材料最小。

图1 改性剂及MOS用量对拉伸强度的影响

图2 改性剂及晶须用量对弹性模量的影响

图3为复合材料的冲击强度随晶须含量的变化曲线。当晶须含量为20%，复合材料的冲击强度达最大值，其中微乳液共聚改性的晶须复合材料可达5.0kJ/m2，其它两者均与基体的3.75kJ/m2相同。总体趋势上微乳液改性的晶须复合材料具备较好的冲击性能，未改性晶须复合材料的冲击强度最小。

图4为复合材料断裂伸长率随晶须含量的变化曲线。在晶须含量为20%时，MOS/PP复合材料和硬脂酸锌改性MOS/PP复合材料的断裂伸长率都达最大值，分别为36%、41%，比基体的34%分别提高了5.9%、20.6%。而微乳液共聚改性MOS/PP复合材料的断裂伸长率却低于以上两者。

图3 改性剂及MOS用量对冲击强度的影响

图4 改性剂及MOS用量对断裂伸长率的影响

复合材料的力学性能测试结果表明，除冲击强度外，硬脂酸锌改性MOS/PP复合材料的各项力学性能较好，当晶须含量为20%时，复合材料的弹性模量、断裂伸长率分别比基体提高了43.52%、20.6%。而未改性MOS/PP复合材料的力学性能较差，微乳液共聚改性MOS/PP的力学性能中，除冲击强度能达到5.0kJ/m2，比基体材料提高了33.3%外，其余力学性能均较低。

2.2 MOS/PP基复合材料的界面结构

对复合材料的界面进行SEM、FT-IR分析，观察复合材料界面结构，研究界面间相互作用，分析结果分别如图5、图6所示。

由图5a可见，未改性的MOS/PP复合材料中，晶须分布杂乱、无序，断面中有基体被拉伸成束并被扯断的迹象。图5b硬脂酸锌改性MOS/PP材料中，晶须与基体相容性较好，分布有序，拉伸后部分晶须与基体有缠结的状态。图5c微乳液共聚改性MOS/PP复合材料中，晶须分布均匀，与基体相容性较好，复合材料的断面中出现了基体断层，晶须也被拔出裸露在外，并出现一定偏转现象。

图5 不同改性剂处理后的MOS/PP复合材料界面SEM照片

图6 不同改性剂处理后的MOS/PP复合材料断面FT-IR谱图

图6为复合材料断面的FT-IR分析。将图6中未改性的MOS/PP谱图与PP的谱图进行对比分析可见，未改性的MOS/PP谱图比PP谱图只多了 3650cm－1、3616cm－1羟基特征谱带、1114cm－1硫氧特征谱带，并无其它谱带不同，说明未改性的MOS/PP材料中，晶须与基体并无化学键形成。将硬脂酸锌改性的MOS/PP材料的谱图与PP谱图对比分析，发现也无新谱带出现，晶须与基体间也未成键。在微乳液共聚改性MOS/PP材料中，1730cm－1为酯 C=O伸缩振动吸收谱带，1114cm－1硫氧特征谱带，其它位置并未出现新的谱带，说明晶须与基体间也无化学键的形成。经过FT－IR对复合材料的界面结构分析表明，未改性的晶须和硬脂酸锌及微乳液改性的晶须与PP基体材料间都无化学键的形成。

2.3 MOS/PP基复合材料的作用机理

由MOS/PP复合材料的力学性能、界面结构检测分析，对MOS/PP基复合材料中各相之间相互作用机理分析认为，未改性的MOS与基体PP连接较差，晶须的加入降低了PP的结晶性能，增加了PP分子间距，降低了分子间相互作用力，使复合材料的力学性能变差，晶须含量越大，力学性能降低越明显。硬脂酸锌改性后的MOS与基体PP相容性提高，晶须表面上与改性剂小分子形成膜层，一方面减少了晶须的团聚，提高了晶须在基体的分布均匀性;另一方面在图5复合材料界面的SEM图像中，可看到晶须能与PP基体产生一定的物理交缠，这两方面的综合作用结果，使得复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弹性模量均有所提高。例如当MOS含量为20%时，复合材料的弹性模量、断裂伸长率分别比基体材料提高了43.52%、20.6%，断裂伸长率最高可达43%。微乳液共聚改性MOS/PP材料中，微乳液共聚改性后的晶须表面形成了更柔韧的有机层，与晶须的刚硬形成互补效应，可吸收更多能量，复合材料的冲击强度最大提高了35.13%，在外力拉伸作用下，晶须能发生一定偏转，以致断面处出现无规则取向的晶须，最终在更强外力的作用下，晶须被拔出，起到增强作用。