碳纤维自行车用硼酸镁晶须聚丙烯复合材料的性能研究

定 茜

（西安医学院，陕西西安710021）

近代以来，复合材料以其优异的性能被广泛地应用于汽车工业、航空、航天、医疗、化工、机械制造等领域[1]。在汽车工业领域，复合材料可以用来制造发动机架、汽车车身、传动轴、受力构件等。在航空航天领域，复合材料可以用来制造航天飞机结构件、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的壳体、卫星天线及其支撑结构、飞机机翼和前机身、发动机壳体等。此外，复合材料还可以用来制造体育运动器件，如碳纤维自行车材质、跳高用横杆等并且可以作为建筑材料应用于建筑领域[2]。

1 实验试剂与仪器

1.1 实验试剂

硼酸镁晶须，聚丙烯，尼龙6，二甲基亚砜，丙酮(分析纯)，偶氮二异丁腈(AIBN)，硼酸酯偶联剂BE-1，自制硼酸酯偶联剂BE-2，自制硼酸酯偶联剂SPE-1，硼酸酯偶联剂SB-181，无水乙醇(分析纯)，甲苯(分析纯)，蒸馏水自制过氧化苯甲酰(BPO)，无水乙醇(分析纯)[3]。

1.2 实验仪器

JPT-5托盘天平，FA2104N电子天平，WQF-520红外光谱仪，TE-20型双螺杆挤出机，JHP-10型注塑机，XBJJ计算机控制摆锤冲击试验机，SCS200智能切粒机，JSM-7500F型扫描电子显微镜，DHT搅拌恒温电热套，SHB-III(A)型循环水多用真空泵，ZWK1302-2型热变形温度测定仪，DZ-1A型真空干燥箱，KQ-B超声清洗器，WSM-20KN微机控制电子万能试验机[4]。

2 实验方法

2.1 硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的制备

以聚丙烯(PP)为基体，以硼酸镁晶须为增强材料，制备硼酸镁晶须复合材料。按照硼酸镁晶须含量分别为20%、25%、30%和35%的配比，以硼酸镁晶须(未改性的和经过改性的)为填充料，与聚丙烯(PP)混合，在适当的温度和转速下在双螺杆挤出机中挤出，通过水槽冷却[5]，然后在切粒机上造粒，造出的粒子经过烘干，再由注塑机注射样条，制取以供测试的标准样条。

2.2 复合材料性能的测试

（1）拉伸性能测试

采用标准GB/T 1040-92进行拉伸性能测试。样品总长度(L)是180mm，中间平行段的长度(L1)是（55±0.5）mm，标距(L0)是（50±0.5）mm，夹具间距离(L3)是（115+5）mm，中间平行段的宽度(b)是（10±0.5）mm，端头厚度(d)是2～10mm，宽度(b1)是（20±0.5mm），所制备的试样如图1所示[6]。

图 1 试样拉伸图Fig. 1 The tensile diagram of sample

（2）冲击性能的测试

采用标准GB/T1043-93进行冲击性能测试。所用试样条的尺寸是80mm×10mm×4mm。试样的宽度(b)是板的厚度，厚度是6～10mm，所制备的试样如图2所示[7]。

图2 冲击试样图Fig. 2 The impact of sample diagram

（3）弯曲性能测试

采用标准GB/T 9341-2000进行弯曲性能测试。采用三点弯曲法，弯曲规定挠度是3mm，弯曲速度是2mm/min。

（4）热变形温度测试

热变形温度按GB/T 1634.2-2004进行测试。变形量为1.00mm，升温速率50℃/h，上限温度＜350℃。

（5）复合材料形貌表征

本实验利用扫描电镜，观察材料中硼酸镁晶须和聚合物基体之间的界面结合情况。扫描电镜型号为日本JEOL公司生产的JSM-7500F型扫描电子显微镜[9]，配备EDAX-EDS，工作电压为10kV，工作距离为7mm，分辨率为1nm。

3 结果与讨论

3.1 硼酸镁晶须含量对拉伸强度的影响

图3为硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料拉伸强度的影响。由图3可见，三种复合材料的拉伸强度都呈先增加后减小的趋势，当硼酸镁晶须填充量为30%时，拉伸强度达到最大值[8]。BE-1改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料拉伸强度比纯聚丙烯提高了29.5%，比未改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料提高了9.1%；BE-2改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料拉伸强度比纯聚丙烯提高了35.2%，比未改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料提高了13.8%。

图3 硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料拉伸强度的影响Fig. 3 The effect of magnesium borate whisker content on tensile strength of polypropylene composites

3.2 硼酸镁晶须含量对试样弯曲强度的影响

图4 为硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料弯曲强度的影响。由图4可以看出，当表面处理的硼酸镁晶须含量增加时，复合材料的弯曲强度均有明显增加，在硼酸镁晶须含量达到30%时有最大值出现[9]，BE-1改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料弯曲强度比纯聚丙烯提高了40.0%，比未改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料提高了23.5%；BE-2改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料弯曲强度比纯聚丙烯提高了44.4%，比未改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料提高了27.5%。

图4 硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料弯曲强度的影响Fig. 4 The effect of magnesium borate whisker content on bending strength of polypropylene composites

3.3 硼酸镁晶须含量对试样冲击强度的影响

图5 为硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料冲击强度的影响。由图5看出，随着硼酸镁晶须用量的增加，材料的冲击强度呈下降趋势。这一变化趋势符合晶须增强热塑性塑料改性的一般原理。由于作为分散相的硼酸镁晶须是刚性的，当受到冲击力作用时无法发生形变，也不能产生银纹吸收冲击能[10]。因为硼酸镁晶须的刚性效应强于聚丙烯的韧性效应，所以会使复合材料的脆性提高，冲击性能下降。在受到外力作用时，裂纹容易扩散到界面上，进而透过脆性的硼酸镁晶须。这种情况下，应该增强硼酸镁晶须与基体界面的结合程度。由图5还可以看出，经过表面改性的硼酸镁晶须所制备的复合材料冲击强度明显优于未改性的硼酸镁晶须。这是因为前者能够与聚丙烯基体结合紧密，减小了无机填料造成的冲击性能下降的程度，但该种聚丙烯复合材料的冲击强度要低于纯聚丙烯[11]。

图5 硼酸镁晶须含量对聚丙烯复合材料冲击强度的影响Fig. 5 The effect of magnesium borate whisker content on impact strength of polypropylene composites

3.4 硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的微观结构分析

图6 为BE-2改性的硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的SEM图（晶须含量为30%）。从图6中可以看出，硼酸镁晶须在聚丙烯基体中有良好的分散，硼酸镁晶须与聚丙烯界面结合紧密。说明硼酸镁晶须经硼酸酯偶联剂BE-2处理后能够被聚丙烯基体浸润，使得硼酸镁晶须与聚丙烯基体间有良好的界面层，可以充分发挥硼酸镁晶须的增强作用，有助于改善硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的性能。

图 6 硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的SEM图(晶须含量30%)Fig. 6 The SEM diagram of magnesium borate whisker /polypropylene composite (30% of whisker content)

4 结论

硼酸酯类偶联剂的偶联剂在改性硼酸镁晶须上具有较好的改性效果，同时PP/Mg-BE-1和PP/Mg-BE-2复合材料的力学性能大大优于PP/Mg，PP/Mg-SPE-1和PP/Mg-SB-181复合材料的力学性能。随着硼酸镁晶须含量的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度逐渐增大，在晶须含量为30%时达到最大值。当硼酸镁晶须含量为30%时，硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的综合性能最佳，符合体育用碳纤维自行车材质要求。