基料与相容剂对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

张 杨，陈 萌，钟 颖，张海生，蔡 青

(上海普利特复合材料股份有限公司， 上海 201707)

基料与相容剂对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

张 杨，陈 萌，钟 颖，张海生，蔡 青

(上海普利特复合材料股份有限公司， 上海 201707)

在长玻纤增强聚丙烯加工过程中，聚丙烯基料的各种成分在材料的成型与使用过程中发挥着不同的作用，调整聚丙烯树脂配方是改善长玻纤增强聚丙烯材料力学性能的有效手段。通过调整聚丙烯树脂种类以及相容剂的用量，研究了聚丙烯基料的抗冲击性能、流动性对材料最终的力学性能的影响，并且对相容剂的合理用量也进行了初步研究。结果表明，聚丙烯树脂的流动性以及相容剂的用量对长玻纤增强聚丙烯的力学性能影响突出，而聚丙烯树脂的抗冲击性能对长玻纤增强聚丙烯的抗冲击性能影响较小。

聚丙烯； 长玻纤增强； 相容剂

0 前言

汽车能耗作为人类活动中的能源消耗的重要组成部分之一，其能源消耗量随汽车保有量的增加在人类总能耗的占比越来越重，因此探索如何减少汽车能源消耗量成为汽车工业新的追求目标之一[1]。车身轻量化是实现汽车减重降耗的最有效途径之一，如何将传统的金属材质车身零部件替换为轻质塑料部件，成为汽车设计与材料工程领域工程师面临的重要难题[2]。事实上，在目前汽车装饰材料中塑料的比例越来越高，例如保险杠、门板和仪表板等装饰件上基本已经全部被塑料代替。但是在力学结构部件中，塑料的应用比例还是相对较少。其中最主要的原因是塑料的强度以及尺寸稳定性等性能还无法取代金属材质，因此，提高塑料材料的强度等力学性能就成为塑料替代金属的突破口。玻璃纤维是一种拉伸强度极高的纤维，但是质地硬脆，容易受到剪切破坏失效。共聚聚丙烯树脂是一类广泛应用的树脂材料，容易加工，抗冲击性能好，但是强度与模量较低。在玻璃纤维与聚丙烯树脂复合后得到长玻纤增强聚丙烯材料中，玻璃纤维起到增强的作用，而聚丙烯树脂包覆在玻璃纤维表面，起到保护玻璃纤维、传导外界力学作用的桥梁。因此两者的复合充分发挥了玻璃纤维与聚丙烯的优势，从而在汽车用塑料材料中受到越来越多的关注[3]。由于玻璃纤维属于无机纤维，表面极性较强，而聚丙烯树脂属于非极性聚合物，两者相容性及收缩率的物理特性差别较大，因此在聚丙烯与玻璃纤维复合的过程中如何控制两者的界面作用，成为长玻纤增强聚丙烯材料的关键技术所在[4-7]。在本文的研究中，通过调整树脂配方来初步探讨了长玻纤增强聚丙烯材料的基料组成与性能的关系。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯树脂：PP-K3029台化(K3029)，PP-BX3900韩国SK公司(PP3900)，PP-BX3920 韩国SK公司(PP3920)；

玻璃纤维：GF-4305PM-2400,重庆国际复合材料公司；

相容剂：马来酸酐接枝聚丙烯MAH-g-PP,以色列Polyram公司；

助剂母粒：上海普利特复合材料股份有限公司自制。

1.2 仪器和设备

海天SA2500型注塑机；德国Zwick/Roell Z010型力学试验机；德国Zwick/Roell BPI-5.5COMC型冲击试验机。

1.3 性能测试

拉伸性能、弯曲性能和冲击性能分别按ISO 527-2，ISO 178，ISO 179测试，其中拉伸速率为50 mm/min，弯曲速率为2 mm/min，跨距为64 mm。每一组试样在温度为23 ℃、湿度为50%的条件下，各取5个样品进行测试。

2 结果与讨论

2.1 抗冲与非抗冲聚丙烯树脂对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

在本文研究中，采用工业上通用的长玻纤增强聚丙烯生产工艺，聚丙烯树脂、相容剂以及其他助剂加入到双螺杆挤出机中混炼，再输送至特殊的浸渍模头中完成玻璃纤维的浸渍，最后将浸渍后的玻璃纤维从模头中牵引、冷却切粒，得到长度为10～12 mm的玻纤增强聚丙烯粒子。再将长玻纤增强聚丙烯粒子在90 ℃条件下干燥2 h，最后注塑成标准样条测试。

在长玻纤增强聚丙烯材料中，聚丙烯树脂包覆在玻璃纤维周围，起到保护玻璃纤维和传导外界受力的作用，因此聚丙烯树脂的选择十分重要。表1为长玻纤增强聚丙烯树脂材料配方，由两种不同的聚丙烯树脂(K3029、BX3900)，在相容剂及助剂母粒相同的条件下，与玻璃纤维复合得到的长玻纤增强聚丙烯材料(LG20-K3029、LG20-BX3900)，其力学性能如表2所示。

表1 长玻纤增强聚丙烯树脂材料配方(%，质量分数)

样品K3029BX3900相容剂助剂母粒玻璃纤维LG20⁃K302975/4120LG20⁃BX3900/754120

表2考察聚丙烯基料树脂性能对长玻纤增强聚丙烯力学性能的影响。聚丙烯K3029缺口冲击强度为57.5 kJ/m2，是一种缺口冲击强度很高的树脂，而聚丙烯BX3900的缺口冲击强度仅仅只有5.1 kJ/m2，两者相差一个数量级，远远低于K3029。从表2中可发现：在长玻纤增强聚丙烯材料中，当玻璃纤维的质量分数一定时，不同的基料与玻璃纤维复合后材料的性能比较接近，拉伸强度、断裂伸长率以及缺口冲击强度相差较小；弯曲强度与弯曲模量的差异相对于纯树脂K3029与BX3900的差异而言，与玻璃纤维的复合后使得材料的力学性能差异大大缩小[8]。一般情况下，玻璃纤维的临界长度为3.0 mm左右，当玻璃纤维增强材料中玻璃纤维的保留长度大于此临界长度时，玻璃纤维的力学强度得以充分发挥，并且当材料受到外界力学作用时，玻璃纤维起到了主要承力作用，此时基料树脂主要扮演传递外力的角色，因此对于玻璃纤维与聚丙烯树脂复合后的增强材料LG20-K3029与LG20-BX3900的力学性能差异性就不明显。尽管玻璃纤维在承受外力时发挥主要作用，但是由于聚丙烯传递力学作用，不同的聚丙烯树脂模量有差异，对外界力学响应也就表现出较大区别。如表2所示，对比弯曲强度与弯曲模量，LG20-K3029与LG20-BX3900存在明显的差异。

表2 缺口冲击强度不同的聚丙烯树脂在长玻纤增强前后性能差异比较

2.2 聚丙烯树脂的流动性对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

聚丙烯是一类柔性高分子，尽管分子链间作用力较尼龙等极性链小，但是其链段的柔性特征，使其熔体黏度大，很难达到热固性树脂单体小分子一样黏度水平。在长玻纤增强聚丙烯生产过程中，玻璃纤维被聚丙烯树脂浸渍程度的好坏直接决定最终产品的力学性能及外观状态。通常为了消除聚丙烯加工过程中降解带来的负面影响以及实际加工注塑工艺的要求，工业生产的聚丙烯相对分子质量一般较高。当聚合物的聚合度超过临界聚合度以后，通过继续增加聚合度带来力学性能的改善是较小的，因此在生产长玻纤增强聚丙烯过程中，在保证最终产品的力学性能前提下，应该尽可能地降低聚合物的熔融黏度，提高熔体流动性，以保证玻璃纤维被聚丙烯熔体充分浸渍。通常提高聚丙烯树脂流动性主要采用两种方法：(1)降低树脂的相对分子质量[9]；(2)提高加工温度[10]。提高加工温度可能会引起聚丙烯分子链发生热降解，最终损害材料的力学性能和外观，因此实际生产过程中受到限制。在保证材料力学性能的前提下，选用低相对分子质量的聚丙烯原料，从而达到改善聚丙烯树脂流动性的方法成为目前最有效的途径。由于聚丙烯链结构的复杂性，很难用其相对分子质量来衡量其黏度及流动性，通常采用熔融指数来表征聚丙烯树脂的黏度及流动性。一般来说，熔融指数越高，聚丙烯流动性越好，黏度也越低，反之亦然。

为考察聚丙烯基料树脂流动性对最终长玻纤增强聚丙烯力学性能的影响，选取两种力学性能接近、熔融指数差异较大的共聚聚丙烯BX3900与BX3920。

如表3中配方所示，仅仅通过改变基料树脂熔融指数，其余组分保持不变的情况下，分别得到长玻纤增强聚丙烯材料LG20-BX3900与LG20-BX3920。虽然这两种长玻纤增强聚丙烯材料的拉伸强度、弯曲强度等力学性能基本接近，但是在缺口冲击强度这个力学性能指标上却表现出明显差异，如表4所示。这可能由于BX3920熔融黏度较低，流动较好，冷却结晶时结晶能力较强，因此在材料内部存在较多的内应力；同时也可能分子链较短，受到外力破坏时裂纹行进的路径较短，因此吸收能量的能力也较差，最终反映出两种材料的缺口冲击强度存在较大的差异。

表3 长玻纤增强流动性不同的聚丙烯树脂材料配方(%，质量分数)

样品BX3900BX3920相容剂助剂母粒玻璃纤维LG20⁃BX390075/4120LG20⁃BX3920/754120

2.3 相容剂对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

在长玻纤增强聚丙烯材料中，玻璃纤维与聚合物链的极性差异较大，同时两者的收缩率也不同，因此需要将两者界面有机结合才能充分发挥材料的优势。马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)是一种效果优异的玻纤/聚丙烯界面相容剂，一方面其聚合物链上的马来酸酐通过化学反应与玻璃纤维表面相连，另一方面其聚丙烯部分与基料聚丙烯树脂融合，从而使玻璃纤维与聚丙烯链有机结合。

表4 聚丙烯流动性差异对长玻纤增强聚丙烯性能的影响

为考察相容剂对最终长玻纤增强聚丙烯力学性能的影响，选取了四种相容剂配方比例，配方如表5中所示。

表5 不同质量分数相容剂的聚丙烯树脂材料配方(%，质量分数)

样品BX3900相容剂助剂母粒玻璃纤维LG20⁃M0790120LG20⁃M1781120LG20⁃M4754120LG20⁃M8718120

通常工业用马来酸酐接枝聚丙烯中马来酸酐接枝度在4%以下，当聚丙烯树脂中接枝物用量越多，马来酸酐的质量分数也越多，能和玻璃纤维表面发生化学反应的链就越多。随着接枝物添加量的增长，长玻纤增强聚丙烯材料的力学性能也随之提升。从表6可以看出：当接枝物的质量分数为4%时，长玻纤增强聚丙烯的综合力学性能最佳，其缺口冲击强度达到相对最大值23 kJ/m2；继续添加接枝物，发现材料的缺口冲击强度反而发生下降。这种现象可能有两个方面的原因：(1)马来酸酐接枝聚丙烯的熔融指数很高，一般达到10 g/min，过多添加量使得未参与玻纤偶联的短链马来酸酐接枝聚丙烯质量分数增多，从而使得最终产品的缺口冲击强度下降[11]；(2)聚丙烯树脂中马来酸酐基团增多，使得过多的接枝物与玻璃纤维偶联，因而材料受外力发生断裂时，玻璃纤维大多被拉断，而非遵循纤维拔出的机理吸收能量[12]。因此在长玻纤增强聚丙烯材料的配方设计过程中，需要对接枝物的质量分数控制在一个合理的限度范围内。

表6 不同质量分数相容剂对长玻纤增强聚丙烯性能影响

3 结论

本文通过调整长玻纤增强聚丙烯材料生产过程中聚丙烯树脂的配方，初步探讨了聚丙烯基料树脂的抗冲击性能、流动性以及相容剂含量对材料力学性能的影响。实验结果表明，聚丙烯基料树脂的抗冲击性能对长玻纤增强聚丙烯材料的力学性能影响较小，改善聚丙烯基料的流动性可以提高玻纤浸渍效果，过高的流动性会削弱材料抗冲击性能，另外，相容剂的用量也需要根据实际工艺及性能要求合理选择。

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万华化学北美技术中心正式投入使用

• 万华化学北美技术中心正式投入使用

• 该中心将作为万华化学在美国的客户服务以及对外科研活动交流的基地

万华化学集团股份有限公司在美国Woodlands对外宣告：万华化学北美技术中心正式投入使用。

该中心将作为万华化学在美国的客户服务以及对外科研活动交流的基地，针对客户需求，提供配方调试、样品性能测试等服务，同时充分利用美国本地丰富的人才、科研资源，探索与当地高校、研究机构开展人才培养、共同研发等领域的合作。

伍德兰市经济发展局 CEO Gil Staley先生代表当地经济发展局对万华化学最终选择落户Woodlands表示感谢，并希望在社区建设等方面与万华化学继续加强交流。中国驻休斯顿总领馆商务参赞周振成先生则代表领事馆介绍了目前中资企业在德州的发展情况，表达了对双方进一步加强经济合作的意愿。

万华化学高级副总裁及CTO华卫琦博士表示：“万华化学长期发展以来，始终以科技创新为核心，在全球配置有雄厚的科研资源，该中心也会依托于万华化学的全球资源，为当地乃至北美的客户提供全方位的技术支持，以更快更高效的解决方案助力客户的业务增长。”

万华化学功能化学品事业部总经理丁晧博士和万华美国销售公司总经理Jacob Sturgeon分别向外界各位人士表示了感谢，希望将来能够与社区进一步加强合作，与合作伙伴共同发展与成长。公司也将充分发挥技术中心优势，提供量身定制的产品解决方案，增强北美客户的竞争力。

关于万华北美技术中心

自2006年万华化学设立费城销售公司以来，万华化学在美国的市场份额稳步提升，目前已经成为美国MDI、ADI等市场的主要参与者。为了进一步增强本地竞争力及更好的的服务本地客户，万华化学于2013年同步启动了北美技术中心及生产基地项目。在充分考虑客户半径、交通便捷度、本地人才和综合成本等多方面因素后，最终决定将技术中心落户到美国石油化工行业的聚集地——休斯顿，并最终选定在位于休斯顿北部风景优美、绿树成荫的Woodlands。

Influence of Matrix and Compatibilizer on the Mechanical Properties of Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene

ZHANGYang，CHENMeng，ZHONGYing，ZHANGHai-sheng，CAIQing

(Shanghai PRET Composites Co., Ltd., Shanghai 201707， China)

In the production of long glass fiber reinforced polypropylene, various components of polypropylene resin matrix has played a different role in mold process and during the use process. Adjusting the polypropylene resin formula is an effective approach to improve mechanical properties of long glass fiber reinforced polypropylene. In this paper, through the adjust-ment of polypropylene resin type and the content of compatibilizer, we studied the effect of poly-propylene anti-impact capability and fluidity on the mechanical properties of the final materials, and the rational content of compatibilizer has also been studied. The results show that the flui-dity of polypropylene resin and the content of compatibilizer has great influence on the mechanical properties of long glass fiber reinforced polypropylene. However, the anti-impact ability of poly-propylene resin has little influence on the impact resistance of long glass fiber reinforced polypropylene.

polypropylene; long glass fiber reinforcement; compatibilizer

张 杨(1984—)，男，博士,工程师，主要从事工程塑料及热塑性复合材料的研究。

TQ 327

A

1009-5993(2017)02-0027-05

2017-03-29)