聚丙烯/纳米碳管复合材料的制备及其摩擦性能研究*

王歆睿，毛思宇，李东明，刘艳辉

（1.辽宁省分析科学研究院，辽宁 沈阳 110015；2.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

聚丙烯/纳米碳管复合材料的制备及其摩擦性能研究*

王歆睿1，毛思宇2**，李东明2，刘艳辉2

（1.辽宁省分析科学研究院，辽宁 沈阳 110015；2.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）

以纳米碳管为填料，填充聚丙烯制得纳米碳管/聚丙烯复合材料。借助扫描电子显微镜观察分析了复合材料表面形貌;利用MMW-1A型摩擦磨损试验机研究了纳米碳管含量对聚丙烯复合材料摩擦性能的影响并探讨其摩擦机理。结果表明：纳米碳管在复合材料中分散较好，且保持了一定的长径比；随着纳米碳管含量的增加，复合材料的摩擦系数显著减小，当纳米碳管的含量为5%时，复合材料的摩擦系数减少了13.17%。

纳米碳管；再生聚丙烯；复合材料；摩擦性能

前言

聚丙烯是一种重要的热塑性塑料，产品具有密度小(0.89～0.91g/cm3)、生产成本低、化学稳定性好、抗挠曲性好、无毒、环保与易加工等优点。在汽车工业、家电、包装以及建材等方面具有广泛的应用，产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯，居于通用塑料的第3位。但是聚丙烯存在着低温脆性突出、自身摩擦系数大、磨损率高的致命弱点，在很大程度上制约了聚丙烯的在某些工程领域的进一步推广与应用。

纳米碳管由于具有优良的物理、化学性质和潜在的应用前景。而且纳米碳管具有超强的力学性能、极大的长径比、良好的电学性能、很高的化学和热稳定性等,在纳米器件、微电子、结构和功能复合材料等领域有着重要的应用前景，开创了纳米科技和材料科学的新时代[1]。自1991年日本学者发现碳纳米管(CNT)以来[2]，其就倍受关注。理论和实验研究都表明最易实现应用的领域是纳米碳管/聚合物增强结构材料和功能复合材料[3～8]。

目前，纳米碳管/聚合物复合材料的研究主要集中在材料的设计及力学性能方面，有关聚丙烯在纳米碳管诱导下的摩擦磨损性能及机理的研究较少，为此，本文在制备纳米碳管/聚丙烯复合材料的同时，探讨了在填充纳米碳管的条件下，复合材料材料的摩擦磨损机制，为聚丙烯/纳米碳管复合材料在摩擦环境下应用提供一定的理论依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

再生级粉状聚丙烯由中石油辽阳石化分公司提供，纳米碳管由中国科学院金属研究所提供。实验中使用的其他试剂为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 复合材料的制备

准确称取一定量的聚丙烯和纳米碳管放入装有无水乙醇和丙酮混合液（质量比1∶1）的圆底烧瓶中，在室温下进行搅拌3h再超声振荡器3h，抽滤干燥。将干燥的混合物料放入模具中，于175℃条件下，用平板硫化机压制成型。

1.3 样品测试

采用PhilipXL-20型扫描电镜对样品形貌进行观察；采用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机评价复合材料的摩擦磨损性能，摩擦实验的测定方法按照STM-G-99-04《销盘检测材料摩擦性能的试验方法》执行，实验条件为：载荷F=10 N，摩擦时间为10 min,试验机转速为200r/min，采用小销盘摩擦副（45号钢整体淬火），摩擦系数可用公式(M∶摩擦力矩，J;F∶实验载荷，N;R∶销盘半径，m)，计算得出；磨损量按摩擦前后质量差的百分比计算。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯/纳米碳管复合材料表征

图1（a）、（b）分别为纳米碳管和聚丙烯/纳米碳管复合材料（分散后未经平板硫化模压处理，纳米碳管添加量为5%）的扫描电镜结果,从中可以看出,所应用的纳米碳管的直径在200～1000nm之间，没分散前碳管之间团聚缠结较为严重。经过溶液搅拌、超声波分散后，纳米碳管可以均匀地分散在聚丙烯基体中,并保持一定的长径比。

图2是纯PP以及不同含量纳米碳管的聚丙烯/纳米碳管复合材料红外光谱图。从图中可以看出，掺混纳米碳管以后，复合材料的红外谱图和纯聚丙烯的谱图相似。波数在2880,1460,758的吸收峰可归结为C-H,CH3的吸收峰谱图中波数3000～2700cm-1处出现的是C-H振动吸收峰，甲基-CH3的反对称伸缩振动波数为2962cm-1，对称伸缩振动波数为2872cm-1[9]。随着纳米碳管含量的增加，波数在1450cm-1附近的吸收峰强度明显增强，产生这种现象的原因可能是因为增加了C-C单键的含量。

2.2 聚丙烯/纳米碳管复合材料的摩擦性能

图3是纳米碳管/聚丙烯复合材料的摩擦实验的时间-摩擦系数曲线图。由图可知，载荷一定时，聚丙烯基的复合材料摩擦系数随着时间变化趋势是先上升再下降到一个值以后，基本保持稳定。在实验过程中，可以看出:磨销45#钢首先接触到的是复合材料聚丙烯基体，摩擦系数较小;当摩擦达到动态平衡时，在对磨面上形成一层转移膜，变成转移膜与复合材料之间的摩擦，摩擦系数基本保持稳定。由于聚丙烯的导热性极差，摩擦热不能及时导出，在纳米碳管附近大量聚集，聚丙烯基体材料较高温度下发生软化，纳米碳管粘结能力降低，脱落形成松散磨粒，摩擦系数减小。

图1 纳米碳管(a)和聚丙烯/纳米碳管复合材料(b)的扫描电镜图Fig.1The SEM images of CNTs(a)and PP/CNTs composites(b)

图2 聚丙烯/纳米碳管红外分析图Fig.2The FT-IR spectrum of PP and the PP/CNTs composites

表1是纳米碳管/聚丙烯复合材料的平均摩擦系数。可以看出，载荷一定时，聚丙烯基的复合材料摩擦系数随着基体中纳米碳管含量的增加而减小，当纳米碳管的含量为5%时，复合材料的摩擦系数减少了13.17%。这主要因为纳米碳管是由碳六元环构成的石墨烯片层卷成的无缝、中空、外径为纳米尺度的管体，具有白润滑性。

图3 纳米碳管/聚丙烯复合材料的摩擦系数-时间曲线Fig．3The curve of friction coefficient vs time of PP/CNTs composites

表1 复合材料平均摩擦系数Table 1Average friction coefficient of PP/CNTs composites

3 结论

采用混合填充的方法可以成功地制备聚丙烯/纳米碳管复合材料。扫描电镜结果表明纳米碳管在复合材料中分散较好，且保持了一定的长径比;随着纳米碳管含量的增加，复合材料的摩擦系数显著减小，当纳米碳管的含量为5%时，复合材料的摩擦系数减少了13.17%。

［1］张玲,陶涛,李春忠,等．溶液结晶制备聚乙烯/碳纳米管串晶结构［J］．高分子学报,2009,7:660～666．

［2］IIJIMA S．Helical microtubules of graphitic carbon［J］．Nature, 1991,354(6348):56～58．

［3］AJAYAN P M,SCHADLER L S,GIANNARIS C,et al．Singlewalled carbon nanotube-polymer composites:strength and weakness［J］,Adv Mater,2000,12(10):750～753．

［4］TU J P，YANG Y Z，WANG L Y，et al．Tribological properties of carbon-nanotube-reinforeced copper composites［J］．Tribology Letters,2001,10(4):225～228．

［5］AJAYAN P M,SCHADLER L S,GIANNARIS C,et al．Singlewalled carbon nanotube-polymer composites:strength and weakness［J］．Adv Mater,2000,12(10):750～753．

［6］ODEGARDA G M,GATESB T S,WISEA K E,et al．Constitutive modeling of nanotube-reinforced polymer composites［J］．Composites Science and Technology,2003,63(11):1671～1687．

［7］LAU K T，SHI S Q．Failure mechanisms of carbon nanotube/epoxy composites pretreated in different temperature environments［J］．Carbon,2002,40(15):2965～2968．

［8］GAO J L，LIU Y H，LI D M．Preparation and properties of recycled polypropylene/carbon nanotube composites［J］．Advanced Materials Research，2011，279：106～110．

［9］左演声，陈文哲，梁伟．材料现代分析方法［M］．第一版．北京工业大学出版社，2000：214～221．

大众橡塑改性聚硫密封胶获专利

河北衡水大众橡塑有限公司自主研发的高性能改性聚硫密封胶新产品获得发明专利授权。新产品采用新型材料和特殊生产工艺流程，对原有聚硫密封胶进行改性，产品不仅具有聚硫橡胶的特点，还具备了聚氨酯的性能。该产品可调范围宽、适应性强、粘接性能好、弹性强，具有优良的复原性、低温柔性、耐油性和耐生物老化等优点。改性后产品不再含异氰酸酯基，反应时不会有CO2排放，从而克服了聚氨酯固化时易产生气泡的缺点。

Preparation and Wear Properties of Polypropylene/Carbon Nanotube Composites

WANG Xin-Rui1,MAO Si-yu2,LI Dong-ming2and LIU Yan-hui2
(1.Liaoning Province Academy of Analytic Science,Shenyang 110015,China;2.College of Material Science and Engineering,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Polypropylene(PP)/carbon nanotube(CNTs)nanocomposites with different CNTs content were prepared by the blend method.The surface morphology of the composites was investigated by SEM.The effects of CNTs content on the wear properties were studied with MMW-1A,and the wear mechanism was also discussed.The results showed that CNTs could disperse homogeneously in the composite and retain a certain ratio of long to diameter.The friction coefficient of nanocomposites decreased as the concentration of CNTs increasing.When the CNTs content was 5%,its friction coefficient decreased 13.17%compared to the neat PP.

Carbon nanotubes;regenerated polypropylene;composites;wear properties

TQ325.14

A

1001-0017（2013）06-0050-03

2013-08-08*基金项目：沈阳理工大学创新创业训练计划资助项目（编号：13CL004）

王歆睿（1971-），女，辽宁沈阳人，硕士，副研究员，主要从事高分子材料、化学分析、生物化学的研究及检测工作。

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