聚丙烯/滑石粉复合材料的制备及其力学性能

刘朝福，史双喜，韦雪岩

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西省桂林市 541004）

聚丙烯/滑石粉复合材料的制备及其力学性能

刘朝福，史双喜，韦雪岩

（桂林电子科技大学信息科技学院，广西省桂林市 541004）

用经偶联剂改性的滑石粉（Talc）与聚丙烯（PP）共混制备PP/Talc复合材料，测试了复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等，并探讨了Talc含量对复合材料力学性能的影响机理。结果表明：Talc含量对复合材料力学性能有明显影响，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均随Talc含量的增加而增大，但均会出现拐点，即当Talc含量分别超过18%，20%，8%时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度却随Talc含量的增加而逐步降低。

聚丙烯 滑石粉 复合材料 拉伸强度 弯曲强度

聚丙烯（PP）的分子极性小，结晶程度高，具有耐热、耐候、易加工成型、力学性能优良等优点，但PP也存在成型收缩率大、韧性差等缺点，因此，需要对PP进行改性［1］。PP改性中最简单、最有效的方法之一是用滑石粉（Talc）填充改性，即将Talc填充到PP中，制备PP/Talc复合材料［2］。实践表明，用Talc填充的PP塑料，不仅可以显著增加塑料制品的尺寸稳定性，而且可以大幅降低生产成本；但加入Talc对复合材料的力学性能会产生较大影响［3-5］。

本工作制备了Talc含量不同的PP/Talc复合材料，测试了其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等，探讨了复合材料中Talc含量与力学指标的关系，并对其影响机理进行了初步研究，为PP的工业化改性与制备提供了理论与实践指导。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，注塑级，熔体流动速率（MFR）为13 g/10 min，茂名石化东成化工有限公司生产；Talc，塑料用微细级，平均粒径为10 μm，中值粒径（D50）为9.0 μm，比表面积3.3 m2/g，广西龙广滑石开发股份有限公司生产；偶联剂，异丙辛基三酰氧基钛酸酯，XY-2102，南京旭杨化工有限公司生产；助黏剂，马来酸酐接枝聚丙烯，注塑级，MFR为110 g/ 10 min，广州金发科技有限公司生产。

1.2 主要设备

SHJ-36型双螺杆挤出机，南京恒奥机械有限公司生产；PL1200/370型注塑机，宁波海天塑机集团无锡天翔注塑机有限公司生产；YHS-216D-200Kg（2KN）型电子万能材料试验机，上海益环仪器科技有限公司生产；PTM1200型摆锤冲击试验机，深圳三思纵横科技股份有限公司生产；注塑模具，自制。

1.3 工艺流程与测试方法

110 ℃条件下将Talc干燥2 h，用偶联剂对Talc进行表面活化处理，得到Talc填料；将Talc填料、PP、质量分数为1.5%的助黏剂等按一定比例加入高速混合机进行混合，用双螺杆挤出机挤出［挤出温度（190+5）℃］、切粒、烘干，利用注塑机和模具进行注塑成型，得到标准尺寸的试验样条。注塑过程采用多级注射成型控制工艺，主要工艺参数见表1。

表1 注塑工艺参数Tab.1 Process parameters of injection molding

试验中，拉伸强度按ISO 527-1：2012测试，拉伸速度为50 mm/min；弯曲强度按ISO 178：2010测试，测试速度为2 mm/min；冲击强度按ISO 179-1：2000测试。

2 结果与讨论

2.1 Talc用量对PP/Talc复合材料拉伸强度的影响

拉伸强度及弹性模量反映了材料抵抗外力破坏的能力，是受力塑件在选择材料时的首要参考指标［6］。从图1看出：当w（Talc）由0增加至10%时，复合材料的拉伸强度从32.0 MPa增加至34.5 MPa，提高了2.5 MPa。由此可见，Talc对PP有一定的增强效果，Talc在PP的结晶过程中起到成核剂作用，Talc的加入提高了PP的结晶度，而高聚物在结晶过程中，结晶度越高，其强度也越高［7-9］；但当w（Talc）超过20%时，复合材料的拉伸强度随Talc用量的增加而呈下降趋势，其原因可能是Talc用量超过了PP结晶所需的最大成核剂用量，Talc开始以颗粒形式存在于PP中，对PP分子链造成了一定程度的隔断作用，从而导致了复合材料的总体强度降低。弹性模量用来衡量材料抵抗弹性变形能力，其值越大，材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大。从图1还可以看出：Talc对复合材料的弹性模量影响很大，随着Talc用量的增加，复合材料的弹性模量大幅增加，意味着复合材料的刚度增加显著。

图1 Talc用量对复合材料拉伸强度和弹性模量的影响Fig.1 Influence of Talc contents on tensile strength and elasticity modulus of Talc/PP composites

2.2 Talc用量对PP/Talc复合材料弯曲强度的影响

从图2可以看出：随着Talc用量的增加，复合材料的弯曲强度先逐步增大再急速下降。其原因可能是，当w（Talc）小于18%时，Talc以粒子的形式包埋在PP基体中，对PP分子链的松弛、断裂起阻碍作用，从而提高了复合材料的弯曲强度；但当

w（Talc）大于18%时，Talc开始以粉团的形式存在，这些粉团在受到剪切、挤压时会发生破碎，从而导致PP/Talc复合材料的弯曲强度下降，Talc用量越高，形成的粉团越多，材料的弯曲强度下降就越明显［10-11］。

2.3 Talc用量对PP/Talc复合材料冲击强度的影响

冲击强度反映了材料抵抗冲击破坏的能力，是工作中承受冲击震动的塑件在选择材料时的重要参考指标［6］。从图3可以看出：复合材料在室温（23 ℃）条件下的冲击强度随Talc用量的增大而缓慢增加，再逐步降低。原因可能与Talc应力集中效应有关，Talc的填充会对复合材料产生应力集中效应，当Talc用量较小时，Talc导致其周围的PP产生微开裂，这些极其微细的裂纹可以在冲击过程中吸收一定的冲击功，从而能有限地提高复合材料的冲击强度［12］；同时，由于偶联剂的作用，Talc粒子和PP基体的界面连接良好，整个复合体系形成了良好的网状结构，这有利于应力的匀化和传递，从而使复合材料变得更坚韧；而且，经过偶联剂处理，具有良好界面黏接性能的Talc粒子会形成一种“ 钉扎”效应，即较为坚硬的Talc粒子对其周围的PP分子链团形成了强化效应，使微裂纹难以顺利通过，当微裂纹无法穿过Talc粒子而继续前进时，会被迫转变延展方向而形成弧形［8］。因此，Talc含量越高，破坏该材料则需要更多的能量，结果是复合材料的冲击强度提高。当w（Talc）大于8%时，Talc粒子会过于接近，微细裂纹就扩大为宏观裂纹，导致复合材料的冲击强度下降。

图2 Talc用量对复合材料弯曲强度的影响Fig.2 Influence of Talc contents on bending strength of Talc/PP composites

图3 Talc用量对复合材料冲击强度的影响Fig.3 Influence of Talc contents on impact strength of Talc/PP composites

3 结论

a）PP/Talc复合材料的弹性模量随Talc用量的增加而增大。

b）当w（Talc）小于20%时，复合材料的拉伸强度随Talc用量的增加而增大；当w（Talc）大于20%时，复合材料的拉伸强度随Talc用量的增加而逐步降低。

c）当w（Talc）为18%时，复合材料的弯曲强度达到最大值；当w（Talc）大于18%时，复合材料弯曲强度随Talc用量的增加而迅速下降。

d）室温（23 ℃）条件下，当w（Talc）小于8%时，复合材料冲击强度随Talc用量的增加而缓慢增加；当w（Talc）大于8%时，复合材料的冲击强度随Talc用量的增加而逐步降低。

[1] 宋赛楠，曹庚振，王霞，等. 聚丙烯塑料的改性研究［J］.塑料工业，2011，39（4）：57-60.

[2] 李彩林，郭少云，陈跃.高抗冲聚丙烯复合材料的研究［J］.工程塑料应用，2006，34（9）：15-19.

[3] 申欣，王卫，孙道兴. PP/POE/滑石粉汽车保险杠专用料［J］.塑料工业，2005，33（4）：61-64.

[4] 郭甜甜，丁雪佳，张雨，等.滑石粉对聚丙烯微观形态和性能影响［J］.中国塑料，2011，25（12）：21-25.

[5] 周健，王毓琦，孟海宾.钛酸钾晶须改性聚丙烯的性能研究［J］.工程塑料应用，2005，33（11）：21-24.

[6] 高家武.高分子材料近代测试方法［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1994：270-272.

[7] 丁运生，耿宏伟，王僧山.滑石粉/聚丙烯复合材料结晶度与相间形态对其力学性能的影响［J］.高分子材料科学与工程，2005，21（5）：90-93.

[8] 攀泽东，罗筑，于杰，等. 超微细滑石粉的表面改性及对聚丙烯性能的影响［J］.高分子材料科学与工程，2007，23（3）：143-147.

[9] 杨华明，曹建红，敖伟琴，等. 超细滑石粉填充PP的增强效应［J］.中国塑料，2003，17（1）：83-87.

[10] Ma J García-Martínez，Laguna O，Areso S，et al. Polypro pylene/talc composites modified by a succinyl-fluorescein grafted atactic polypropylene：a thermal and mechanical study under dynamic conditions［J］. Journal of Polymer Science Part B： Polymer Physics， 2002，40（13）：1371-1382.

[11] Shelesh-Nezhad K，Taghizadeh A. Shrinkage behavior and mechanical performances of injection molded polypropylene/ talc composites［J］. Polymer Engineering & Science，2007，47（12）：2124-2128.

[12] 王少会，刘佩珍，徐卫兵，等. 超分散剂改性滑石粉填充PP复合材料的性能研究［J］.塑料工业，2008，36（1）：53-56.

Preparation and mechanical properties of PP/Talc composites

Liu Chaofu，Shi Shuangxi，Wei Xueyan
（Institute of Information Technology， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

The polypropylene（PP）/talcum powder（Talc）composites were prepared by blending PP and Talc modified by coupling agent. The main mechanical properties of the composites were tested， which include tensile strength， bending strength and impact strength. The impact of Talc content on the mechanical properties of the composites were discussed as well. The results show that the content of Talc contributes much on the mechanical properties of the composites. The tensile strength， bending strength and impact strength of the composites are all improved with the increase of talcum powder， while inflection point exist in the curves，namely， when the content of Talc exceeds 18%， 20% and 8%， the tensile strength， bending strength and impact strength of the composites decrease respectively.

polypropylene； talcum powder； composite； tensile strength； bending strength

TQ 325.1+4

B

1002-1396（2017）01-0041-03

2016-07-27；

2016-10-26。

刘朝福，男，1976年生，副教授，高级工程师，现从事材料成型与模具技术方面的研究工作。联系电话：13768335204；E-mail：690529692@qq.com。

2013—2015年广西自然科学基金（2013GXNSFBA 019245）。