PP/MWNT复合材料的力学性能研究

李丽霞，任金忠，孙会娟，刘洁晶，曹建蕾

(衡水学院应用化学系，河北 衡水 053000)

聚丙烯(PP)是四大通用塑料之一，具有价格便宜、原料环保、无毒无味等优点，普遍应用于汽车、电器、日用品等领域，但其冲击韧性差，尤其是低温脆性突出，力学性能上的缺点极大的限制了PP在某些工程领域的应用[1-2]。为了拓宽PP的应用范围，对其进行增强增韧改性一直是国内外的研究热点，而材料的韧性和强度都与其动态力学性能密不可分，例如材料的高温储能模量与材料高温时强度有关[3]。碳纳米管从1991年发现至今[4-5]，作为一种新型材料，结构独特，具备优异的力学性能、优良的导热性及电学性能，被广泛应用于聚合物的改性研究中，碳纳米管有单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管 (MWNT)两种，MWNT以其成本优势更多的受到研究者的青睐。当前以碳纳米管改性PP已取得了较多的研究成果[6-9]，但是同时对PP/ MWNT复合材料的力学性能和动态力学性能的研究较少。本文研究了MWNT对PP力学性能及其动态力学性能影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

聚丙烯：T30s，中国石油天然气股份有限公司大庆炼化分公司；多壁碳纳米管：内径5～10nm，外径10～30nm，长10～30μm，羟基含量2.48%，纯度>90%，苏州碳丰科技有限公司。

1.2 实验设备及仪器

转矩流变仪：XSS-300，上海科创橡塑机械设备有限公司；平板硫化机：XLB-D350×350，青岛华天鑫工贸有限公司；万能制样机：WZY-240，承德益和检测设备有限公司；电子万能试样机：WSM-20kN，长春市智能仪器设备有限公司；悬臂梁冲击试验机：XJU-5.5J，承德益和检测设备有限公司；动态热机械分析仪：DMA8000，美国美国PerkinElmer公司；扫描电子显微镜：QuantabFEG250，美国FEI公司。

1.3 复合材料的制备

将MWNT按质量分数0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%(编号0，1，2，3，4，5)的比例加入到 PP粒料中，充分混匀后加入到转矩流变仪中进行混炼，温度设为195℃，混炼时间为3min，混炼完之后在平板硫化仪上压片，温度为180℃，1MPa压 1min，2MPa 压1min，10MPa 压8min，最后用万能制样机裁出测试标准试样条。

1.4 性能测试

力学性能的测试：按照GB/T 2918-1998标准设定，拉伸强度按照GB/T 1040标准测试，拉伸速率20mm/min，温度23℃，测试结果取5个试样的算术平均值；悬臂梁缺口冲击强度按照GB/T 1843的标准测试，室温下，试样为I型，缺口类型为A型，测试结果取5个试样的算术平均值。将试样条裁成20mm×7mm×2mm的测试样条，进行动态力学性能测试，条件为：单悬臂梁模式，频率为10Hz，振幅0.2mm，温度范围-110到110℃，升温速率2℃/min；冲击断面经表面喷金后，利用扫描电子显微镜(SEM)观察其形貌，加速电压为8kV。

2 结果与讨论

2.1 PP/MWNT复合材料的拉伸强度

表1是PP/MWNT复合材料的拉伸强度及断裂伸长率随MWNT含量变化的数据，从数据中可以看出，MWNT的含量从0%增加到2.5%，复合材料的拉伸强度呈先增大后减小的趋势，1.5%时达到最大值，由纯PP的28.58MPa提高到32.47MPa，但是断裂伸长率呈下降的趋势，说明在较低含量时，MWNT的存在可以有效提高PP的拉伸强度，含量高时，容易形成团聚，使PP力学性能下降，这与填料在基体的分布和形态有关。

表1 PP/MWNT复合材料的拉伸强度和断裂伸长率表Tab.1 The tables of tensile strength and the fracture elongation of PP/MWNT composites

2.2 PP/MWNT复合材料的冲击强度

图1是PP/MWNT复合材料的冲击强度曲线，随着MWNT含量的增加，复合材料的冲击强度也呈现先增加后减小的趋势，MWNT含量为1.5%时，冲击强度提高最多，由5.67kJ/m2提高到8.85 kJ/m2，增韧效果显著。由变化趋势可见在PP中加入较低含量的MWNT可以起到增韧作用，当填料的加入量继续增大时，韧性有所下降，但都高于纯PP，说明MWNT可以有效提高PP的韧性，且与拉伸强度的变化趋势一致，达到最大值时的含量均为1.5%。由于PP是结晶性聚合物，其结晶结构及形态对力学性能有较大影响， MWNT在PP结晶过程中起到了成核剂的作用，成核初期，晶核数量多，PP链在MWNT晶核周围堆砌生长，最终形成细微的晶粒，而晶粒的细化有利于PP韧性的提高[10]。

图1 PP/MWNT复合材料的冲击强度Fig.1 The impact strength of PP/MWNT composites

为了进一步了解MWNT在PP中的分散情况，对复合材料的冲击断面进行了SEM测试，如图2所示，取MWNT含量为0.5%，1.5%和2.5%三个试样观察，发现MWNT的含量较低时，在PP基体中分布较均匀，说明与PP的相容性好，在材料受到外力作用时，均匀分散的MWNT可以吸收消耗一部分作用在基体上的能量，从而起到增强作用。材料受到冲击时，MWNT的存在会引发基体产生更多的微裂纹和塑性形变，增韧效果好[11]，当MWNT的含量增大后，管状的MWNT会在PP基体中产生缠结，形成了部分团聚，与基体的相容性变差，导致PP/MWNT复合材料的力学性能有所下降。

图2 PP/MWNT复合材料的SEM图片

Fig.2 SEM images of PP/MWNT composites

2.3 PP/MWNT复合材料的储能模量

本文研究了PP/MWNT复合材料的储能模量(E′)，如图3所示，纯PP及 MWNT/PP复合材料的储能模量随着温度的升高而降低，因为温度越高，分子链段的运动越剧烈，受热材料越容易变形。同一温度下，随MWNT含量的增加，复合材料的E′在填料为2%时出现最大值，在图中选取5个温度点，-50℃、-25℃、0℃、25℃、50℃,在5个温度下较纯PP分别提高了7444MPa、7171MPa、6693MPa、5042MPa和4321MPa，低温下提高较高温时更明显，这与低温时材料中链段运动能力差有关，无论是哪个温度段MWNT都可以显著提高了PP的E′，从而起到了增加刚性的作用，其原因是MWNT具有独特的管状结构，模量高、强度大，与PP分子链产生相互作用，MWNT本身也发生了缠绕，阻碍了分子链的运动，使得复合材料的E′增大。

MWNT含量0-0%，1-0.5%，2-1%，3-1.5%，4-2%，5-2.5%图3 MWNT/PP复合材料的储能模量Fig.3 Energy storage modulus of MWNT/PP composites

3 结论

(1)MWNT的含量从0%增加到2.5%，复合材料的拉伸强度和冲击强度均呈先增大后减小的趋势，1.5%时两者均达到最大，但断裂伸长率呈下降趋势；含量为2%时，复合材料的储能模量达到最大。

(2)MWNT的含量较低时，在PP基体中分布均匀，与PP的相容性好，在材料受到外力拉伸作用时，均匀分散的MWNT可以吸收消耗一部分作用在基体上的能量，受到冲击作用时，MWNT的存在会引发基体产生更多的微裂纹和塑性形变，从而起到增强增韧作用，随着MWNT的含量增大后，在PP基体中形成了团聚，导致PP/MWNT复合材料的力学性能有所下降。

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