相容剂添加量对玻纤增强聚丙烯性能的影响

李文龙，金江彬，张 挺，金喆琬，李博弘

(1.浙江明江新材料科技有限公司，浙江 台州 318026； 2.黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨 150040)



相容剂添加量对玻纤增强聚丙烯性能的影响

李文龙1，金江彬1，张 挺1，金喆琬1，李博弘2

(1.浙江明江新材料科技有限公司，浙江 台州 318026； 2.黑龙江省科学院石油化学研究院，哈尔滨 150040)

通过在2 kg玻纤增强聚丙烯(PP)配方基础上添加相容剂马来酸酐接枝聚丙烯20 g、40 g、60 g、80 g和100 g，探讨了相容剂添加量对玻纤增强PP性能的影响。实验结果表明，相容剂的加入使玻纤增强，PP的各项性能明显改善，其中外加40 g相容剂时，拉伸强度达到45.25 MPa，提高了78.22%；弯曲强度达到59.42 MPa，提高了77.16%；冲击强度达到11.25 J/m2，提高了40.80%；热变形温度达到157.2 ℃，提高了24.17%；随着相容剂PC-1添加量的增加，材料的熔融指数呈下降趋势。

马来酸酐接枝聚丙烯；玻纤增强聚丙烯；相容剂；添加量

纤维增强塑料是目前最有发展前景的材料之一，主要包括纤维增强热固性材料和纤维增强热塑性塑料[1，2]。目前国内已经大范围地使用纤维增强热塑性塑料，而作为使用范围最广的聚丙烯塑料，其玻璃纤维增强的复合材料使用最为广泛[3-5]。然而，非极性的聚丙烯很难与极性玻璃纤维材料形成良好的界面结合力，两者一起使用性能往往达不到要求。目前，国内外有关玻璃纤维增强聚丙烯的报道屡见不鲜，包括纤维表面官能团处理[6]、添加相容剂[7]及增加玻纤长度[8]等。只有界面结合力的提高，材料的各方面性能才会得到改善。

本文通过变化相容剂马来酸酐接枝聚丙烯的用量，通过控制聚丙烯用量、工艺加工条件、玻璃纤维用量等限制条件，探讨相容剂用量对玻纤增强聚丙烯复合材料的流动性、力学性能和耐热性能的影响。

1 实验部分

1.1 试验材料

聚丙烯，K8009，中韩(武汉)石油化工有限公司，熔指8.5 g/10 min；聚丙烯，K8050，台湾化学纤维股份有限公司，熔指45 g/10 min；玻璃纤维，998A，巨石集团有限公司；马来酸酐接枝聚丙烯，PC-1，能之光新材料科技股份有限公司，接枝率1%；抗氧剂，1010，新秀化学(烟台)有限公司；辅助抗氧剂，168，新秀化学(烟台)有限公司；硅烷偶联剂，KH-550，合肥宇创新材料科技有限公司。

1.2 试验配方

具体试验配方如表1所示。

表1 试验配方

1.3 试验工艺

使用高速搅拌机将以上配方分别混合(玻璃纤维除外)，放入双螺杆挤出机内，螺杆转速和喂料速度固定，玻璃纤维通过自行设计的浸渍槽，料条经水冷造粒。成型的粒子在100 ℃干燥箱内干燥2 h，经注塑机注塑为标准试样条。

1.4 测试标准

测试使用标准如表2所示。

表2 测试项目及标准Tab.2 Test items and standards

2 结果与讨论

2.1 控制变量条件的确定分析

表3给出了6个配方的灰分及密度数据。通过表3可以看出，在相同工艺条件下，玻纤的含量是比较稳定的，密度也是基本恒定的，可以保证除相容剂PC-1的变化外，其他材料不影响复合材料性能，有利于后续探讨相容剂添加量对复合材料性能的影响。其中配方5和配方6在挤出过程中容易断料，综合考虑加工难度和生产成本，相容剂PC-1的加入量不易过多。

表3 复合材料灰分和密度Tab.3 The ash and density of composites

2.2 相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP熔融指数影响分析

图1是不同相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP熔融指数(以下简称熔指)的影响变化曲线。从图1中可以看出，随着相容剂PC-1加入量的增加，复合材料熔指呈现下降趋势。原因可通过Darcy定律进行解释，Darcy定律具体表达式为公式：

其中，Q为流量，μ为熔体黏度，K为毛细管渗透率，Δp为所施加的压力，L为毛细管的长度，A为毛细管的横截面积。

根据Darcy定律可知，在压力和温度相同的条件下，K、Δp、L和A均是定值，熔指可表达为流量Q，与熔体黏度μ成反比，即熔指的下降表明熔体黏度的增加。随着相容剂PC-1添加量的增多，PP树脂基体熔体与玻璃纤维之间的界面结合力提高，玻璃纤维在树脂内的分散更加均匀，两相之间界面结合力增加[9-11]，熔体黏度增加。

图1 PC-1加入量对玻纤增强PP熔融指数的影响Fig.1 The change curve of melt index with adding different amount of PC-1

2.3 相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP力学性能影响分析

2.3.1 对玻纤增强PP拉伸性能影响分析

图2、图3和图4是不同相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率的影响变化曲线。从图2中可以看出，相容剂PC-1加入量增多，增强PP材料的拉伸强度呈上升趋势，添加增多拉伸强度趋于平缓，误差波动较小。当相容剂PC-1加入40 g时，拉伸强度达到45.25 MPa，提高了78.22%。与图1熔指变化曲线相互印证，可知引入相容剂PC-1，PP基体与增强相玻璃纤维获得了良好的界面结合力，破坏这种微观界面结合力需要更大的宏观外作用力，所以拉伸强度增加；相容剂PC-1加入量为40 g时，拉伸模量为2 257 MPa，提高了11.68%，原因基本同拉伸强度变化的原因相同，界面结合力的提高，需要更大的能量才能使材料发生断裂，从而拉伸模量提高。

图2 PC-1加入量对玻纤增强PP拉伸强度的影响Fig.2 The change curve of tensile strength with adding different amount of PC-1

图3 PC-1加入量对玻纤增强PP拉伸模量的影响Fig.3 The change curve of tensile modulus with adding different amount of PC-1

图4 PC-1加入量对玻纤增强PP断裂伸长率的影响Fig.4 The change curve of elongation at break with adding different amount of PC-1

图4为断裂伸长率的变化曲线，断裂伸长率呈现下降趋势，误差波动较小。其中相容剂PC-1加入量为40 g时，断裂伸长率为4.09，下降了67.69%。原因主要在于玻纤与PP树脂之间界面结合力提高，分子链段的运动能力受限，不能发生或发生较少的取向结晶，从而使材料缺陷增多，容易发生断裂。

2.3.2 对玻纤增强PP弯曲性能影响分析

图5和图6是不同相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP弯曲强度和弯曲模量的影响变化曲线。从图5和图6中可以看出，相容剂PC-1加入量增多，增强PP材料的弯曲强度和弯曲模量均呈上升趋势。当相容剂PC-1加入40 g时，弯曲强度达到59.42 MPa，提高了77.16%；弯曲模量达到2 405 MPa，提高了12.7%。与拉伸性能相比对可知，弯曲性能的提高主要原因还是在于玻纤与PP树脂之间界面结合力的提高，分子链段发生位移和滑移的能量需要更大，从而使弯曲强度和弯曲模量都有提高。

图5 PC-1加入量对玻纤增强PP弯曲强度的影响Fig.5 The change curve of bending strength with adding different amount of PC-1

图6 PC-1加入量对玻纤增强PP弯曲模量的影响Fig.6 The change curve of bending modulus with adding different amount of PC-1

2.3.3 对玻纤增强PP冲击性能影响分析

图7是不同相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP冲击强度的影响变化曲线。从图7中可以看出，相容剂PC-1加入量增多，增强PP材料的冲击强度呈上升趋势。当相容剂PC-1加入40 g时，冲击强度达到11.25 kJ/m2，提高了40.8%。冲击强度的根本原因在于玻纤和PP树脂之间界面结合力提高，玻纤在树脂内分散更为均匀，应力分散更加均匀，材料发生应力集中开裂的可能性变小，从而使材料的冲击性能得到提高。

图7 PC-1加入量对玻纤增强PP冲击强度的影响Fig.7 The change curve of impact strength with adding different amount of PC-1

2.4 对玻纤增强PP受热性能影响分析

图8是不同相容剂PC-1加入量对玻纤增强PP热变形温度的影响变化曲线。从图8中可以看出，相容剂PC-1加入量增多，增强PP材料的热变形温度呈上升趋势。当相容剂PC-1加入40 g时，热变形温度157.2 ℃，提高了24.17%。热变形温度的提高，说明了材料分子链段运动能力受限，外部需要更多的能量使材料发生塑性形变。

图8 PC-1加入量对玻纤增强PP热变形温度的影响Fig.8 The change curve of thermal deformation temperature with adding different amount of PC-1

3 结论

第一，通过控制加工工艺可控制玻纤含量的稳定，对探讨相容剂PC-1添加量的影响提供依据。

第二，通过Darcy定律，解释了相容剂PC-1加入量增加熔指下降的原因，并通过该原因解释了复合材料力学性能变化的原因。

第三，综合考虑生产难度和成本，建议相容剂PC-1的加入量不易过多，最好不要超过总含量的5%。相容剂PC-1加入量为40 g时，性能较为优越，拉伸强度、弯曲强度和热变形温度分别提高了78.22%、77.16%和24.17%。

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Influence of compatibilizer content on the glass fiber reinforced polypropylene materials

LI Wen-long1, JIN Jiang-bin1, ZHANG Ting1, JIN Zhe-wan1, LI Bo-hong2

(1.Zhejiang Mingjiang New Material Technology Co., Ltd, Taizhou 318026, China; 2.Institute of Petrochemistry, Heilongjiang Academy of Sciences, Harbin 150040, China)

Adding 20g, 40g, 60g, 80g and 100g maleic anhydride grafted polypropylene in the glass fiber reinforced polypropylene materials, and discussing the influence of compatibilizer content on the glass fiber reinforced polypropylene materials. The results showed that its various performances have improved significantly. And added with 40g compatibilizer, its tensile strength reached to 45.25MPa and increased by 78.22%, bending strength reached to 59.42MPa and increased by 77.16%, impact strength reached to 11.25J/m2 and increased by 40.80% and the thermal deformation temperature reached to 157.2 ℃ and increased by 24.17%. However, the melt index of materials decreased with adding of compatibilizer PC-1.

Maleic anhydride grafted polypropylene; Glass fiber reinforced polypropylene; Compatibilizer; Addition amount

2017-03-02

浙江省台州市黄岩区科学技术局重大项目“长玻纤增强热塑性树脂关键技术研究”

李文龙(1989-)，男，硕士，工程师。

TQ327

A

1674-8646(2017)08-0045-03