聚丙烯/CaCO3复合材料的制备及力学性能

李仕波 朱江

摘 要：在本研究中，采用不同形状的碳酸钙纳米粒子（菱形和球形）改性等规聚丙烯（PP）。采用SEM、IZOD冲击试验机和多功能塑料硬度仪对复合材料的性能进行了研究。结果表明，碳酸钙的形态对PP基体的增韧作用起着重要作用。

关键词：纳米碳酸钙；聚丙烯；力学性能

1. 引言

等规聚丙烯（PP）是一种具有优异综合性能的工业聚合物，由于其加工性能好、价格低廉，在许多领域得到了广泛的应用。然而，聚丙烯的广泛应用仍然受到其高收缩率、低模量、低温冲击强度低和相对较差的耐冲击性的限制[1， 2]。因此，PP的增韧研究受到广泛关注。到目前为止，主要的增韧方法有弹性体增韧[2]、刚体增韧改性[3]和成核剂改性[4]。特别是无机粒子的改性，由于其良好的刚度和经济效益而被广泛研究。近年来，随着超细碳酸钙技术的发展，对纳米碳酸钙改性PP进行了深入的研究[5， 6]，但是忽略了CaCO3不同形态对PP性能的影响。

在此之前，对PP/CaCO3复合材料的结晶性能进行了研究，结果表明，碳酸钙的形态在PP结晶行为中起重要作用，RCC促进了更多的β晶形成，详细情况在另一篇论文中进行了介绍。在本文中，主要研究了RCC和SCC对PP/CaCO3复合材料力学性能的影响。

2.实验部分

2.1 原材料

等规聚丙烯（T30S）由中国石油天然气总公司兰州石化公司提供，熔体流动指数为2.6g/10min。

菱形碳酸钙（RCC）由纳米材料技术有限公司（中国山西芮城）提供，球形碳酸钙（SCC）是由环境材料与修复技术重庆市重点实验室根据Volodkin等人研究报告[7]的程序而制作。所有其他化学品和溶剂使用的分析纯等级。

2.2 PP/CaCO3复合材料的制备

将不同质量比的PP和CaCO3混合物送入转矩流变仪（RM-200A， 哈尔滨哈普电气技术有限责任公司），三个温度区分别为185℃、190℃和185℃，扭矩转速为60转/分。然后用硫化机（XLB-400*400*2/0.25mm，青岛忻城一明橡胶机

2.3 表征

用扫描电子显微镜（SEM） （Philips XL-3， FEI， Oregon， USA）在20kV的加速电压下对纳米颗粒的形貌及其在PP中的分散进行了观察。在测试前，样品进行表面喷金处理。

拉伸试验是使用万能试验机（CMT4104， 中国深圳SANS试验机有限公司）在50mm/min的拉伸速度下进行的。弯曲试验使用相同的万能试验机进行，测试速度为5mm/min。无缺口冲击试验是在摆锤式冲击试验机（ZBC2000，中国深圳SANS试验机有限公司）上进行的。每项性能检测至少使用五个样品分别进行测试，报告取其平均值。

3. 结果与讨论

3.1扫描电镜图像分析

图1显示了不同形态CaCO3颗粒及其与PP的复合物的形态。由图1（a）和（d）可以看出，RCC纳米颗粒具有更大的晶粒尺寸 （～900nm） 和其由层状方解石组成的规则菱面体形状；SCC纳米颗粒的尺寸在400～600 nm之间，外观呈球状。图1 （b）、（c）、（e）和（f）显示了RCC和 SCC粒子均匀分散在PP中，且均与PP基体具有良好的相容性。

3.2 力学性能

为了研究CaCO3颗粒含量对PP力学性能的影响，进行了一系列力学试验，包括拉伸试验、弯曲试验机无缺口冲击试验。表1显示了不同CaCO3含量的PP/CaCO3复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度和无缺口冲击强度的变化。从表1可以看出，随着CaCO3质量分数从2%增加至4%，复合材料的抗拉强度和抗弯强度都逐渐降低。当复合材料中CaCO3质量分数超过8%，拉伸强度和弯曲强度均逐渐增加。另一方面，相对于拉伸强度和弯曲强度的变化趋势而言，PP/CaCO3复合材料的断裂伸长率和无缺口冲击强度呈相反的变化趋势。如表1所示，当CaCO3的添加量为4%时，断裂伸长率和无缺口冲击强度均达到最大值，而超过4%是出现大幅度降低。这些数据表明，不同形态的CaCO3添加PP中，均能改善其力学性能。众所周知，碳酸钙是一种对PP复合材料具有增韧作用的刚性粒子。通常，PP结晶物中主要为α晶型。如图2（a）所示，α球晶尺寸大且边界清晰[8]，在拉伸过程中会产生缺陷，因此导致PP复合材料的韧性较差。然而，随着CaCO3颗粒的加入，PP基体中表现出优异抗冲击性能[9]的β晶体逐渐增多，見图2（b）（c）、（d）。因此，PP复合材料的韧性得以提高。就SCC而言，其尺寸小于RCC，具有与PP基体更大的接触面积（见图1）。因此SCC很容易在PP基体中产生一定的应力集中。在进行力学测试时，由于PP基体与SCC颗粒之间的界面会形成微孔而消耗大量的能量[10]，从而有效减缓或阻止裂纹发展。因此，PP/SCC复合材料的断裂伸长率明显大于PP/RCC复合材料。

4. 结论

本研究采用不同形状的碳酸钙纳米粒子（菱形体和球形）对等规聚丙烯进行改性。结果表明，碳酸钙的形态对PP基体的增韧作用起着重要作用。复合材料的无缺口冲击强度和断裂伸长率随碳酸钙含量的增加先增大后减小，当碳酸钙含量在4%时，达到最大值，表现出良好的韧性，添加了SCC的PP复合材料尤为明显。

参考文献：

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