短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及其力学性能的研究

季新宇，王立岩，宋敬星，滕闻起，田茂林，信 超

(1.沈阳工业大学石油化工学院，辽宁 辽阳 111003; 2.大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

短玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的制备及其力学性能的研究

季新宇1，王立岩1，宋敬星2，滕闻起1，田茂林1，信 超1

(1.沈阳工业大学石油化工学院，辽宁 辽阳 111003; 2.大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

采用双螺杆挤出机通过熔融共混的工艺路线制得短玻璃纤维增强聚丙烯(PP)复合材料，通过激光粒度分布仪对复合体系中的玻璃纤维的长度进行了测试，同时对复合材料的主要力学性能进行了表征。结果表明：随着短玻璃纤维含量的增加，复合材料中短玻璃纤维的长度平均径有所减小；随着短玻璃纤维含量的增大，复合材料的拉伸强度、冲击强度都大幅度增加，硬度有所增加；当短玻璃纤维质量分数为40%时，短玻璃纤维增强PP复合材料拉伸强度为64.39 MPa，与纯PP相比提高了74%，冲击强度为5.8 kJ /m2，与纯PP相比提高了174%，硬度为85，与纯PP相比提高了11%。

聚丙烯 玻璃纤维 复合材料 力学性能

聚丙烯(PP)具有力学性能、电绝缘性和加工性能好、化学稳定性高等优点，广泛应用于纺织、家电、包装及汽车等领域，但PP也存在成型收缩率大、低温冲击性能差、易老化，而且抗静电性、耐候性和染色性差等缺点，限制了其在高端行业的进一步应用，因此材料界和产业界都很关注PP的改性。目前PP的改性方法有共聚、均聚改性，还有共混、复合改性等方法，其中纤维增强PP的改性是近年来研究的热点[1-5]。

玻璃纤维价格低廉，比强度和杨氏模量较一般树脂高10倍，耐热和耐化学药品性能、机械性能出色，单丝强度可达到 3 500 N/mm2，弹性模量可达到 73 000 N/mm2，且吸水率非常低，是应用最广泛的一类纤维增强体[6]。相对于普通的PP材料，玻璃纤维增强PP由于具有更好的机械性能，在高温、高湿环境下仍能保持良好的力学性能，同时具有耐化学药品性、气体阻隔性和耐油性，而且具有无毒、不生锈等优良性能，能够很好地代替金属材料，用于制造汽车各种结构件、功能件以及内饰材料等[7]。

作者采用双螺杆挤出机通过熔融共混复合的方法，利用增容剂的高效界面增容及微结构调节剂的快速结晶成核作用，制备了一种短玻璃纤维分布均匀、界面粘结良好的短玻璃纤维增强PP复合材料，并对其结构及力学性能进行了表征，以期为该复合材料的工业化生产提供参考和借鉴。

1 实验

1.1 主要原料

PP:牌号Q/SYXT0004-2014，大连西太平洋石油化工有限公司产；短玻璃纤维：牌号ECS13-4.5-508A，巨石集团有限公司产；马来酸酐接枝PP(PP-g-MAH)：天津市瑞金特化学品有限公司产；硅烷偶联剂KH-550：盖州市恒达化工有限公司产；微结构调节剂：自制。

1.2 主要设备及仪器

TSE- 40型双螺杆挤出机：螺杆长径比40:1，螺杆直径35 mm，南京科亚橡塑机械有限公司制；HZ50型塑料注射成型机：宁波海震塑机厂制；SX2型箱式电阻炉：沈阳市工业电炉厂制；BT-9300S型激光粒度分布仪：丹东市百特仪器有限公司制；CMT6104微机控制电子万能试验机：深圳市新三思材料检测有限公司制； DJF-20动态冲击分析仪：长春智能仪器设备有限公司制；ALX-D型邵尔硬度计：温州山度仪器有限公司制。

1.3 短玻璃纤维增强PP复合材料的制备

将PP、短玻璃纤维、PP-g-MAH、硅烷偶联剂KH-550、微结构调节剂按照一定质量比混合均匀后加入双螺杆挤出机挤出造粒，然后将切片在注射成型机上制成标准样条用于测试，其中短玻璃纤维质量分数为25%，30%，35%，40%(相对于PP)的试样分别标记为1#，2#，3#，4#。螺杆挤出机各区温度分别设定为190，210，210，210，205 ℃，机头温度200 ℃，熔体温度200 ℃。

1.4 分析测试

灰分：采用SX2型箱式电阻炉测试，温度为750 ℃，煅烧时间2 h，重复10次，取平均值。

长度平均径：采用BT-9300S型激光粒度分布仪测试经电阻炉煅烧后的灰分试样，重复10次，取平均值。

悬臂梁式冲击强度：按照GB/T 1843—2008，采用DJF-20动态冲击分析仪，对宽为8 mm、厚为4 mm、长为80 mm的有缺口试样进行冲击强度的测试，摆锤能量为5.5 J。

拉伸性能：采用SANS型微机控制电子万能试验机，按照GB/T 1040—2006测试。试样宽度为10 mm，厚度为4 mm，原始标距为80 mm；拉伸速度为100 mm/min。

硬度：采用邵尔硬度计A测试，重复10次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的灰分与长度平均径

由表1可知：试样的灰分含量与其玻璃纤维的含量基本相同，说明制备得到的复合材料中的玻璃纤维含量符合预期；随着玻璃纤维含量的增加，复合材料中玻璃纤维的长度平均径有所减小。这是因为当短玻璃纤维含量增大时，熔体的流动性变差，短玻璃纤维在体系内相互作用增强，或者说缠结倾向增大，受到的剪切程度更大而受到破坏，所以短玻璃纤维的长度平均径变小。

表1 试样的灰分与长度平均径Tab.1 Ash content and length mean diameter of samples

2.2 复合材料的冲击强度

由图1可以看出：随着短玻璃纤维含量的增加，复合材料的冲击强度先急剧增加，当短玻璃纤维的质量分数达到30%，40%时，复合材料冲击强度分别达到5.6，5.8 kJ/m2，与纯PP冲击强度相比分别提高了167%，174%；同时还可看出，当玻璃纤维质量分数超过30%时，其冲击强度的增长出现了放缓的趋势。这主要是因为玻璃纤维含量较低时，随着玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维在复合材料中吸收传递外界给予复合材料的冲击能量增大，所以复合材料的冲击强度急剧增加，而当玻璃纤维质量分数超过30%时，复合材料体系中玻璃纤维长度平均径减小、含量增大，分散效果变差，所以随着玻璃纤维含量的进一步增加，玻璃纤维继续吸收传递冲击能量的能力减小，因而复合材料冲击强度增加幅度趋缓。

图1 复合材料冲击强度与玻璃纤维含量的关系Fig.1 Relationship between glass fiber content and impact strength of composite

2.3 复合材料的拉伸强度

由图2可知，随着短玻璃纤维含量的增加，短玻璃纤维增强PP复合材料的拉伸强度增加，当短玻璃纤维质量分数为40%时，复合材料的拉伸强度达到64.39 MPa，与纯PP相比提高了74%。这是因为高强度玻璃纤维在复合材料中起到了骨架作用，可以帮助PP基体承担载荷，这些玻璃纤维的抽出或断裂，需要更大的载荷；同时也可以利用基体树脂的塑性流动性及其与纤维的粘结性来传递应力所致。

图2 复合材料拉伸强度与玻璃纤维含量的关系Fig.2 Relationship between glasss fiber content and tensile strength of composite

2.4 复合材料的硬度

由图3可以看出，随着短玻璃纤维含量的增加，短玻璃纤维增强PP复合材料的硬度随之增加，当短玻璃纤维质量分数为40%时，复合材料硬度为85，与纯PP相比提高了11%。这是因为随着短玻璃纤维含量的增加，玻璃纤维间的PP基质层变薄，树脂的形变受到玻璃纤维的约束，因而复合材料硬度提高。

图3 复合材料硬度与玻璃纤维含量的关系Fig.3 Realationship between glass fiber content and composite hardness

3 结论

a. 随着短玻璃纤维含量的增加，复合材料体系中玻璃纤维长度平均径减小。

b. 随着短玻璃纤维含量增大，复合材料的拉伸强度、冲击强度都大幅度增加，硬度有所增加。当短玻璃纤维质量分数为40%时，短玻璃纤维增强复合拉伸强度为64.39 MPa，与纯PP相比提高了74%；其冲击强度为5.8 kJ/m2，与纯PP相比提高了174%；其硬度为85，与纯PP相比提高了11%。

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Preparation and mechanical properties of polypropylene composite reinforced with short glass fiber

Ji Xinyu1， Wang Liyan1，Song Jingxing2，Teng Wenqi1，Tian Maolin1，Xin Chao1

(1.SchoolofPetrochemicalEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Liaoyang111003;2.SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity，Dalian，116034)

Polypropylene(PP) composite reinforced with short glass fiber were prepared on a twin screw extruder by melt blending process. The glass fiber length of the composite system was measured by laser particle size distribution instrument. The main mechanical properties of the composite were characterized.The result showed that the length mean diameter of short glass fiber in the composite reduced with the increment of glass fiber content; the tensile strength, impact strength, hardness of the composite increased greatly as the content of short glass fiber increased; when the short glass fiber content was 40% by mass fraction, the tensile strength of the short glass fiber reinforced PP composite was 64.39 MPa with a growth of 74%, the impact strength was 5.8 kJ/m2with a growth of 174%, the hardness was 85 with a growth of 11% as compared with those of pure PP.

polypropylene; glass fiber; composite; mechanical property

2017- 04-15； 修改稿收到日期：2017- 05-17。

季新宇(1995—)，男,本科在读,专业为高分子材料与工程。E-mail：397022203@qq.com。

沈阳工业大学大学生创新项目(188)。

TQ325.1+4

A

1001- 0041(2017)03- 0049- 03