PP／云母／POE－g－MAH复合材料的力学性能及抗老化性能研究

伍玉娇 龙绍檑 吴珊

（1.贵州理工学院材料与冶金工程学院，贵州 贵阳，550003；2.贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳，550025）

在聚合物材料中添加非金属矿物填料，可以降低材料成本，提高材料力学性能、尺寸稳定性，并赋予材料其他特殊的物理化学性能，如抗压、抗老化、耐腐蚀等。云母呈片层状，具有不导热、抗酸、抗碱和耐压等优点，是典型的二维增强材料，且价格低廉，早在20世纪70年代，被广泛用于各种塑料的改性［1］。当前，关于云母增强增韧聚丙烯（PP）的研究很多，并取得了相应的成果，如王磊等［2］研究包覆天然云母粉填充PP复合材料的界面和性能，发现填充包覆云母质量分数为40%时，材料的屈服强度、弹性模量和冲击强度明显提高。但关于PP／云母复合材料的抗老化性能研究很少。下面利用高含量云母、马来酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物（POE－g－MAH）协同改性 PP，在不降低复合材料力学性能的前提下，通过风冷氙灯试验箱进一步探索PP／云母／POE－g－MAH复合材料抗老化性能。

1 试验部分

1.1 主要原料

PP，T30S，兰州石化公司；白云母，15μm，河北省石家庄灵寿县华润矿物粉体加工厂。马来酸酐接枝PP（PP－g－MAH），CMG9801，接枝率为1.0%；POE－g－MAH，CMG9805，接枝率为0.8%，均为上海日之升新技术发展有限公司。

1.2 PP／云母／POE－g－MAH复合材料的制备

将白云母放入干燥箱内100℃下干燥6h，再按表1中的配方（含量为质量分数）将干燥好的云母，PP，POE－g－MAH，PP－g－MAH 均匀混合；将混合物装入双螺杆挤出机挤出造粒，切粒机转速为250r／min左右；将上述粒料放入干燥箱80 ℃下干燥8h；将烘干后的粒料注射成标准样条，然后将标准样条放置在恒温箱里24h以上，以测试人工老化及性能。

表1 PP／云母复合材料的配方 %

1.3 人工加速老化试验

按照GB／T 16422.2—1999塑料氙灯光源曝露试验标准，采用SN－900风冷氙灯试验箱进行人工加速老化模拟试验。光源为3×2.0kW氙灯灯管连续光照，平均辐射强度为550W／m2；温度为（65±5）℃；光源－试样距离为100～300mm；老化时间为30d，每6d取样观察测试。

1.4 性能测试

利用WdW－10C微机控制电子万能试验机按GB／T 1845—1996测试拉伸性能；利用 ZBC－4B液晶式摆锤冲击试验机按GB／T 1845—1996测试冲击性能；利用KYKY－2800B扫描电子显微镜（SEM）观察老化前后样条表面微裂纹。

2 结果与讨论

2.1 PP／云母／POE－g－MAH复合材料力学性能

表2是不同配方PP／云母复合材料的力学性能。

表2 不同配方PP／云母复合材料的力学性能

图1是PP／云母复合材料的SEM照片。

图1 PP／云母复合材料的SEM照片

从表2和图1可以看出，如2＃配方所示，当云母含量较低时，复合材料的拉伸强度和冲击强度较纯PP的均有所提高，但增幅不大；3＃配方复合材料的拉伸强度增加到了40.42MPa，而冲击强度变化不大，9＃配方复合材料的拉伸强度最大，提高了30.2%，而冲击强度却降到了3.69kJ／m2。表明PP－g－MAH改善了两相的相容性。图1中PP／云母复合材料的SEM照片也证明了这一点，未加PP－g－MAH时，PP和云母界面清晰可见，加入质量分数20%PP－g－MAH时，界面变得模糊。

从表2还可以看出，如3＃，4＃，5＃所示，随着POE－g－MAH含量的增加，复合材料的冲击强度迅速增加，但拉伸强度却快速降至纯PP以下；如6＃和8＃所示，复合材料拉伸强度保持在35 MPa以上，而冲击强度高达8kJ／m2左右，这充分体现了POE－g－MAH的增韧效果；7＃配方复合材料的拉伸强度达到40.62MPa，虽然冲击强度低于8kJ／m2，但仍高于纯PP近49%。

通过力学性能的比较，综合性能良好的配方为6＃和7＃。但为了比较云母、POE－g－MAH对老化性能的影响，选取1＃，3＃，6＃，7＃和9＃做后续老化试验。

2.2 PP／云母／POE－g－MAH复合材料抗老化性能

2.2.1 复合材料力学性能随老化时间变化

图2是PP／云母复合材料力学性能及其保持率随老化时间的变化。

图2 PP／云母复合材料力学性能随老化时间变化

从图2（a），（b）可以看出，纯PP的拉伸强度先增后降，6～12d时，出现第一次下降，但其拉伸强度仍能保持在30MPa以上，12～24d基本没有变化，保持率在90%左右；24d后，PP的拉伸强度出现第二次下降，此时材料已基本失效；与纯PP相比，PP／云母复合材料的拉伸强度出现增－降－增－降的趋势，保持率都在95%以上。

从图2（c），（d）可知，纯PP的冲击强度处于明显的下降趋势，特别在6～18d时，冲击强度下降很快，18d后纯PP的冲击强度保持率仅为原来的50%，此时材料已基本老化，失去承载能力；与纯PP相比，含有云母的复合材料的冲击强度也发生较明显的变化，出现了先增后降的趋势，但冲击强度保持率仍达到89%以上。

从图2（c），（d）还可以看出，如7＃所示，当POE－g－MAH质量分数为5%时，复合材料的冲击性能在18d达到最大值，随后开始降低；当POE－g－MAH含量较高时，复合材料冲击强度12d时达到最大值，随后快速降低，如6＃所示。这表明一定量的POE－g－MAH对复合材料的抗老化性能有促进作用，即POE－g－MAH质量分数为5%时，其冲击强度最佳。而POE－g－MAH含量过少或过多时，和7＃相比，复合材料的冲击强度提前达到最大值，但仍有较高的保持率。

2.2.2 PP／云母／POE－g－MAH 复合材料表征

对PP／云母复合材料未老化和老化12d试样表面特征对比分析发现，复合材料氙灯光照12d后，表面都出现了明显的变色：纯PP老化后表面变黄，出现粉化现象；且随着老化时间的推移，PP明显变脆，并出现用手轻折立即断成3节的现象；对于PP／云母复合材料，老化12d后，其试样表面变成灰白色，出现很明显的老化特征，但粉末状较纯PP少，同时试样变得硬而韧，这与前面的力学性能相对应。

2.2.3 PP／云母／POE－g－MAH复合材料SEM分析

图3是1＃和3＃试样的PP／云母复合材料老化前后表面裂纹的SEM照片。

图3 PP复合材料不同老化时间的表面裂纹SEM分析

从图3可以看出，随着老化时间的推移，PP和PP／云母复合材料都出现了不同程度的龟裂。

比较纯PP和PP／云母复合材料的表面裂纹特征，纯PP表面随着老化时间的增加吸收紫外波的能量也逐渐聚集，18d后在试样表面产生了很多应力开裂裂纹，且表面裂纹排列平行、分布均匀，裂缝的宽度也相差不大，裂纹较长，这也是纯PP 18d后基本失去承载能力的原因，如图3（a），（b）所示。与此相反，PP／云母复合材料的表面裂纹出现较纯PP晚，分布不均匀，裂缝宽度各异，裂纹较短，而且当裂纹扩展遇到云母片层结构时，裂纹的扩展方向发生改变，这也体现了云母片层及POE－g－MAH对裂纹扩展的阻碍作用，如图3（c），（d），（e），（f）所示。所以，当试样受到冲击载荷时，裂纹的扩展出现分叉，改变其方向的同时，削弱了裂纹的强度，这就是复合材料老化后冲击韧性保持89%以上的原因。

3 结论

a）云母、POE－g－MAH及PP－g－MAH三者协同增强增韧PP，使复合材料性能大幅度提升，综合性能良好的配方为6＃和7＃。

b）纯PP的拉伸强度先增后降，30d后拉伸强度的保持率为74%；PP／云母复合材料的拉伸强度出现增－降－增－降的趋势，保持率都在95%以上；纯PP的冲击强度处于明显的下降趋势，特别在6～18d时，冲击强度下降很快；PP／云母复合材料的冲击强度也出现了先增后降的趋势，但冲击强度保持率仍高达89%以上。

c）纯PP老化后表面变黄，出现粉化现象、变脆，且裂纹排列平行、分布均匀，裂缝的宽度也相差不大，裂纹较长；PP／云母复合材料老化后，表面变成灰白色，出现很明显的老化特征，但粉末较纯PP少，同时试样变得硬而韧，表面裂纹出现较纯PP晚，分布不均匀，裂缝宽度各异，裂纹较短。

［1］Dharmarajan M，Datta S，Ban L.Compatibilized polymer blends of isotactic polypropylene and styrene－maleic anhydride copolymer［J］.Polymer，1995，36（20）：3849－3860.

［2］王磊，王全兵，谢邦互，等.包覆天然云母粉填充聚丙烯复合材料的界面和性能［J］.塑料工业，2009，6（37）：70－73.