PP/纳米硫酸钡复合材料的性能研究

2015-08-22邢向阳刘志平

科技视界 2015年8期

邢向阳田耘曹华刘志平

（1.广州德联集团股份有限公司，广东广州 510000；2.汉中职业技术学院，陕西汉中 723000；3.东莞银禧工程塑料有限公司，广东东莞 523000）

聚丙烯（PP）是一种工业产量较大的聚合物，它具有质轻、易于加工、化学稳定性良好等优点，在电子产品、汽车零件、包装材料等领域的应用十分广泛。但PP的耐候性和低温韧性不高，使其在某些方面的应用受到了限制。对PP的性能进行改进一直是一个重要的课题。利用纳米粒子对聚合物进行改性是聚合物的性能改进是制备某些高性能聚合物材料的有效手段[1]。纳米粒子由于其粒度很小和比表面积大而具有小尺寸效应和量子效应等，可对一些聚合物材料的性能有提升作用[2-3]。纳米硫酸钡改性PP材料的性能研究却鲜见报道。本文研究了纳米硫酸钡含量对PP/纳米硫酸钡复合材料的力学性能和结晶行为的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP：Z30S-2，抚顺乙烯化工有限公司；纳米硫酸钡：平均粒径约50nm，上海亮江化工公司。

1.2 主要设备

双螺杆挤出机，SHJ-20B，南京海思挤出设备有限公司；注塑机，HTB-80，宁波海天机械有限公司；冲击试验机，XJJ-5，河北承德实验机有限公司；电子拉力试验机：RGD-5，深圳瑞格尔有限公司；DSC热分析仪，TGA-DSC1，瑞士梅特勒公司。

1.3 样品制备

将 PP与纳米硫酸钡按重量比 99/1、92/2、93/3、94/4、95/5的比例混合均匀，在双螺杆挤出机上熔融共混挤出造粒制得PP/纳米硫酸钡复合材料。共混粒料干燥后，在注塑机上注射成型成标准测试用样条。

1.4 测试与表征

力学性能测试：按GB1043-93进行冲击试验；按GB/T1040-90进行拉伸试验；按GB/T9341-88进行弯曲试验。DSC测试：先快速升温至200℃，再恒温5min以消除热历史，再在10℃/min的降温速率下纪录DSC曲线。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的力学性能

PP/纳米硫酸钡复合材料的拉伸强度受纳米硫酸钡的含量的影响如图1所示。由图1的结果可知，当纳米硫酸钡的含量增大时，PP/纳米硫酸钡复合材料的拉伸强度先是增大，而后有所减小。这主要是因为纳米硫酸钡是一种强度较高的无机填料，在复合材料中可以起到承载的作用，从而在复合材料中产生一定的增强作用。但当纳米硫酸钡的含量过高（超过4%）时，因纳米硫酸钡在复合体系中的团聚现象变多，致使其与PP基体界面的缺陷变多而使复合材料变得容易断裂，因此复合材料的拉伸强度在纳米硫酸钡的含量过高时有所减小。

PP/纳米硫酸钡复合材料的冲击强度纳米硫酸钡的含量的影响如图2所示。由图2的结果可知，当复合材料中纳米硫酸钡的含量增大时，PP/纳米硫酸钡复合材料的冲击强度增大，而后有所减小。这主要是因为纳米硫酸钡的强度较高，在复合材料受剪切力作用时也可以阻碍微裂纹的扩展，从而使复合材料的冲击强度增加。但当纳米硫酸钡用量超过3%时，纳米硫酸钡粒子之间的间距变小而出现团聚现象，使得裂纹易于合并而扩大扩展，从而使复合材料体系的冲击强度又有所减小。

PP/纳米硫酸钡复合材料的弯曲强度纳米硫酸钡的含量的影响如图3所示。由图3的结果可知，当复合材料中纳米硫酸钡的含量增大时，PP/纳米硫酸钡复合材料的弯曲强度基本上呈逐渐增大的趋势。这主要是因为纳米硫酸钡作为一种无机填料具有较好的刚度，添加到PP/纳米硫酸钡复合材料体系中能提高复合材料的刚硬度的缘故。

综上所述，PP/纳米硫酸钡复合材料中纳米硫酸钡的含量为3%～4%时，复合材料具有较好的综合力学性能。

2.2 复合材料的结晶行为

PP/纳米硫酸钡复合材料的结晶特性通过DSC曲线来进行研究，图4为纯PP和PP/纳米硫酸钡复合材料在10℃/min的降温速率下测试的DSC结晶曲线。从DSC图中得到的PP/纳米硫酸钡复合材料的结晶温度(Tc)、熔融热焓(ΔHm)和结晶度（Xc)列于表1中。使用的完全结晶PP热焓为已报道的209J/g[4]。由图4中的DSC降温曲线和表1中的数据可知，纳米硫酸钡的提高了复合材料的结晶温度Tc和结晶度。这说明纳米硫酸钡在复合体系中对PP有异相成核作用，有利于PP分子链的规整排列而结晶，从而使得PP的结晶度变大。