碱式硫酸镁晶须增强聚丙烯的性能研究

黄兆阁　李方舟　刘树骏

(青岛科技大学，山东 青岛,266042)



碱式硫酸镁晶须增强聚丙烯的性能研究

黄兆阁李方舟刘树骏

(青岛科技大学，山东 青岛,266042)

采用了熔融共混的方法，制备了碱式硫酸镁晶须(MHSH)增强聚丙烯(PP)复合材料。分别考察了MHSH用量对复合材料力学性能、结晶性能、热性能的影响以及硅烷偶联剂对MHSH表面处理效果的影响。结果表明，随MHSH用量的增加复合材料的拉伸强度、弯曲强度、简支梁缺口冲击强度和熔体流动速率呈现先上升后下降的趋势,复合材料的负荷变形温度和分解温度呈现逐渐增加的趋势。差式扫描量热仪(DSC)分析发现，MHSH的加入可以有效促进复合材料中PP的结晶，而硅烷偶联剂的使用可以改善复合材料的力学性能。

聚丙烯碱式硫酸镁晶须力学性能硅烷偶联剂

聚丙烯(PP)是我国应用的第二大塑料产品，它有着密度低、化学性质稳定、易于加工等优点，现已逐渐成为我们生活中不可或缺的材料之一。但它也存在着易老化、缺口敏感、低温易脆化等缺点，这大大地限制了PP的应用。为此，人们通常采用填充共混、共聚等方法对PP改性，扩大PP的使用范围。

碱式硫酸镁晶须(MHSH)是一种新型针状纤维增强材料，它具有高长径比、好电气性能、高力学强度和较低膨胀系数等优点。使用它作为增强填料，既可以改善PP的强度和耐热性能，也可以降低PP制品的成本。

本研究采用MHSH对PP进行填充改性，探讨了MHSH用量对PP/MHSH复合材料的物理性能、结晶性能、热失重性能的影响以及硅烷偶联剂对MHSH表面处理效果的影响，以期改善PP复合材料的综合性能。

1　试验部分

1.1试验原料

PP，PPH-T03，中国石化青岛炼油化工有限责任公司；无水乙醇，分析纯，天津市永大化学试剂有限公司；硅烷偶联剂，KH550，KH560，KH570，A171，Si69，湖北新蓝天新材料股份有限公司；碱式硫酸镁晶须，WS-1S2，营口威斯克化学有限公司。

1.2试验设备

双螺杆挤出机，SHJ-20，南京杰思特机电有限公司；注塑机，TTI-130F2，东华机械设备有限公司；箱式干燥机，壹日牌，台日机械科技有限公司；简支梁冲击试验机，GT-7045-MDH，台湾高铁科技股份有限公司；电子拉力试验机，GT-TCS-2000，台湾高铁科技股份有限公司；维卡热变形温度试验机，GT-HV2000-C6，台湾高铁科技股份有限公司；熔体流动速率测定仪，GT-7100-MI，高铁科技股份有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，1/700，瑞士梅特勒-托利多公司；热失重仪(TG)，1 SF，瑞士梅特勒-托利多公司。

1.3试样的制备

按MHSH质量的1.0%称取硅烷偶联剂，溶入适量无水乙醇中配成溶液，与MHSH混合均匀，放置24 h，干燥使乙醇挥发。

以PP为100份，表面处理过的MHSH用量分别为0，5，10，15，20份，称量后用平行双螺杆挤出机进行造粒，挤出机各段温度如下：一段185 ℃、二段195 ℃、三段205 ℃、四段215 ℃和机头210 ℃。在75 ℃下干燥4 h，用注塑机制备样条。注塑机各段温度如下：一段190 ℃、二段205 ℃、三段220 ℃和机头215 ℃。注射压力5.0 MPa，保压压力5.5 MPa，保压时间5 s，冷却时间15 s，模具温度60 ℃。

1.4 性能测试

拉伸强度按GB/T 1040.2—2006/1A/100进行测试；弯曲性能按GB/T9341—2008进行测试，弯曲速度5 mm/min；简支梁缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008进行测试，摆锤能量1 J；负荷变形温度按GB/T 1634.2—2004进行测试，测试负荷1.80 MPa；熔体流动速率按GB/T 3682—2000进行测试，采用230 ℃，2.16 kg载荷；DSC分析：N2氛围，称量材料3～5 mg，以10 ℃/min的速度从30 ℃升温至200 ℃，恒温5 min，消除热历史，再以10 ℃/min速率降温至30 ℃ 。热失重分析(TGA)：采用N2氛围，10 ℃ /min的速率从50 ℃升温至550 ℃。

2　结果与讨论

2.1 MHSH对复合材料力学性能的影响

表1为MHSH用量对PP/MHSH复合材料力学性能的影响。

表1　MHSH用量对PP/MHSH复合材料力学性能的影响

注：下文中试样同样编号配方与此同。

*相对于PP为100份基础上。

从表1可以看出，随着MSHS用量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和简支梁缺口冲击强度均呈现先增加后下降的趋势。当MHSH用量为10份时，PP/MHSH复合材料的力学强度较高，其拉伸强度达到了32.3 MPa，较PP提高了7.7%；复合材料的弯曲强度达到了39.2 MPa，较纯料提高了16.7%；复合材料的简支梁缺口冲击强度达到了7.8 kJ/m2，较PP提高了69.6%。究其原因是，当MHSH用量较少时，纤维状的晶须可以在基体中起到承担应力的作用，增大复合材料的强度。而MHSH用量增多后，一方面在挤出加工时，熔体黏度增大，晶须受剪切力使其变短，增强效果减弱；另一方面，随着MHSH用量的增加，它与PP基体界面存在的缺陷增多，受到外力时，复合材料容易破坏[1-2]。

此外由表1还可以看出，随着MHSH用量的增加，PP/MHSH复合材料的负荷变形温度呈现了逐渐增加的趋势，当MHSH用量为20份时，PP/MHSH复合材料的负荷变形温度达到了70 ℃。这是因为MHSH耐热性好，强度高，可以减弱大分子的滑移，也可以起到骨架的作用，使负荷变形温度增加[3]。

由表1看出，随着MHSH用量的增加，复合材料的熔体流动速率呈现先增加后降低的趋势，这是因为，MHSH直径较细，经过挤出加工后，它能够被PP基体包覆，并形成一定的取向。而当MHSH用量增多后，增大了熔体的黏度，增大了分子链段之间的摩擦，使流动阻力增加，复合材料的熔体流动速率降低。

2.2复合材料的DSC分析

从图1可以看出， 随着MHSH用量的增加，复合材料的结晶峰向高温方向移动，说明MHSH可以在PP结晶过程中起到异相成核剂的作用。

图1　 PP/MHSH复合材料的DSC分析

PP/MHSH复合材料的结晶参数如表2所示。从表2可以看出，随着MHSH用量的增加，PP/MHSH复合材料的熔点(tm)有小幅度的增加，而结晶度(xc)则变化不大。PP/MHSH复合材料的起始结晶温度(to)和结晶峰温(tP)呈现逐渐增加的趋势，说明PP在结晶过程中，MHSH可以起到良好的异相成核作用。

表2　PP/MHSH复合材料的DSC分析参数

注：χc=ΔHm/(ΔHm0×n)×100%，ΔHm0=209 J/g[4]，ΔHm为结晶焓，n为聚合物质量分数。

结晶峰的半峰宽与聚合物晶粒的尺寸分布有关，结晶峰半峰宽越小，晶粒尺寸分布窄，结晶越完善[5]。表1还表明，随着MHSH用量增多，复合材料的半峰宽减小，这是由于MHSH起到异相成核剂的作用，相比于纯PP均相成核的方式，异相成核过程中往往所有晶核同时生成，得到的晶粒相对均匀[6]。

2.3 复合材料的TGA

表3是PP/MHSH复合材料的TGA曲线的参数。表3中t2代表复合材料失重2%时的温度，t5代表复合材料失重5%时的温度，t30代表复合材料失重30%时的温度，M代表复合材料烧到850 ℃时的残留质量分数。由表3可以看出，随着MHSH用量的增加，复合材料的t2，t5和t30值都呈现逐渐增加的趋势，MHSH用量为20份时，t2温度高达388.6 ℃，较PP提高了16.5 ℃。PP/MHSH复合材料的耐热分解性能变好，主要是由于MHSH属于无机矿物，分解温度高，它的填充作用增强了复合材料的耐热性。

表3 PP/MHSH复合材料的TGA参数

2.4 硅烷偶联剂对复合材料力学性能的影响

硅烷偶联剂对PP/MHSH复合材料力学性能的影响见表4。

表4 硅烷偶联剂对PP/MHSH复合材料力学性能的影响

注：PP/MHSH质量比100/10。

从表4可以看出，用硅烷偶联剂对MHSH进行表面处理后，PP/MHSH复合材料的拉伸强度、弯曲强度、简支梁缺口冲击强度和负荷变形温度都有所增加。综合来看使用硅烷偶联剂KH560的综合效果较好。这是因为MHSH表面的羟基和PP原本不相容，使用了硅烷偶联剂之后，烷氧基水解后形成的硅醇与羟基可以形成化学键，它们的界面结合得到了改善，综合性能得到了提高。

3　结论

a)随着MHSH用量的增加，PP/MHSH复合材料的拉伸强度、弯曲强度、简支梁缺口冲击强度和熔体流动速率呈现先增加后降低的趋势，负荷变形温度呈现逐渐增加的趋势。

b)PP/MHSH复合材料在结晶过程中，MHSH可以起到异相成核剂的作用。复合材料的结晶峰向高温方向移动，晶粒尺寸变小，而xc变化不大。

c)随着MHSH用量的增加，PP/MHSH复合材料的耐热分解性能增强。

d)用硅烷偶联剂对MHSH进行表面处理后，PP/MHSH复合材料的综合力学性能得到了增强，其中KH560的表面处理效果较其他硅烷偶联剂的效果好。

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Study on Performance of Magnesium Hydroxide Sulfate Hydrate Whisker Reinforced Polypropylene

Huang ZhaogeLi FangzhouLiu Shujun

(Qingdao University of Science & Technology,Qingdao,Shandong, 266042)

Magnesium hydroxide sulfate hydrate whisker (MHSH) reinforced polypropylene (PP) composites were prepared by melt blending method, and the effect of MHSH content on mechanical properties, crystallization behaviors, thermal properties of the composites， and the effect of silane coupling agents on surface treatment were studied. The results show that tensile strength,flexural strength,charry notched impact strength and the melt mass flow rate of the composites increase firstly and then decrease,and the deflection temperature under load and decomposition temperature of the composites increase with the increase of MHSH content. The DSC results show that the crystallization of PP in the composites is promoted by the addition of MHSH. Mechanical properties of the composites are improved after the use of silane coupling agents.

polypropylene;magnesium hydroxide sulfate hydrate whisker;mechanical properties;silane coupling agent

2016-02-23;修改稿收到日期:2016-05-06。

黄兆阁，男，山东青岛人，副教授，主要研究方向为高性能材料的研究与制备。E-mail:3808986601@163.com。

10.3969/j.issn.1004-3055.2016.04.010