空心玻璃微珠增强聚丙烯材料的性能研究

王帮进

(中钢集团马鞍山矿院新材料有限公司，安徽马鞍山 243000)

聚丙烯具有力学性能良好、绝缘性能优、耐应力、易加工等优点,已被广泛地应用于各个领域中[1-3]。空心玻璃微珠是一种尺寸微小的空心球,属于无机非金属材料,结构由外壁硬玻璃体与内部气体两部分组成,具有质轻、低导热、化学稳定性好、耐高低温、电绝缘性、热稳定性好等优点[4-5]。由于空心玻璃微珠与聚丙烯极性差异较大,表面能较高,二者相容性很差,因此难以得到性能优异的复合材料。本实验通过空心玻璃微珠表面预处理,通过马来酸酐接枝得到性能优异的复合材料。

1 实验部分

1.1 实验原材料及实验仪器

1.1.1 实验原材料

PP:K8003,中韩(武汉)石油化有限公司；抗氧剂:168,巴斯夫股份公司；抗氧剂:1010,巴斯夫股份公司；EBS:星贝达(上海)化工材料有限公司；空心玻璃微珠:Y12000,中钢集团马鞍山矿院新材料科技有限公司；相容剂:CMG9801,佳易容相容剂江苏有限公司。

1.1.2 实验仪器

TSB-36 型同向平行双螺杆混炼挤出机,江苏诚盟装备股份有限公司；EM80-SVP/2 注塑机,震雄塑料机械有限公司；悬臂梁冲击试验机,上海衡翼精密仪器有限公司；ZMD-1 电子密度仪,上海方瑞仪器有限公司；维卡软化温度测定仪НDT/V-1104,承德市金建检测仪器有限公司；M221-C 试验机,上海衡翼精密仪器有限公司。

1.2 样条制备

本实验通过相容剂对空心玻璃微珠表面处理,再与PP 混合,通过加入不同比例的空心玻璃微珠得到不同比例含量的空心玻璃微珠增强聚丙烯材料。混配料通过双螺杆挤出机挤出,加热工艺温度170～200 ℃,挤出后用水冷却,干燥,切粒机切粒。

粒子用注塑机制作样条,注塑温度在190～210 ℃,注塑压力80MPa。

1.3 性能测试

密度按照ISО 1183 测试；拉伸性能按 ISО 527 测试；弯曲性能按 ISО 178 测试；冲击性能按 ISО 180 测试；维卡软化温度按ISО 306 测试。

2 结果与讨论

2.1 密度

图1 是空心玻璃微珠含量对材料密度的影响图。

图1 空心玻璃微珠含量对材料密度的影响Fig.1 Eff ect of content of hollow glass bead on density of material

由图1 可以看出,复合材料的密度随着空心玻璃微珠含量的增加而减小。主要是由于Y12000 真实密度0.60g/cm3,比重轻体积大,空心玻璃微珠填充后可大大减轻改性产品的比重。空心玻璃微珠加入体系后,能够有效地降低复合材料的密度。

2.2 拉伸强度和断裂伸长率

由图2 可以看出,材料的拉伸强度先升后降。当空心玻璃微珠含量为5% 时,拉伸强度达到最大,主要是由于空心玻璃微珠含量低时不易发生集聚现象,与PP 材料之间分散较好且比较均匀。含量较少时对PP 基体造成损伤相比含量高时小很多,与PP 基体的界面相容性较好,从而使复合材料的拉伸强度得到提高。但是,空心玻璃微珠含量的进一步增大,拉伸强度呈现下降趋势。由于空心玻璃微珠含量的增加,空心玻璃微珠发生团聚现象,当聚合物受到外界拉力时,空心玻璃微珠与PP 间的界面首先发生脱落,在材料中形成应力集中点,使材料内部形成脆弱区域,从而导致复合材料的拉伸强度降低。

图2 空心玻璃微珠含量对材料拉伸强度的影响Fig.2 Eff ect of content of hollow glass bead on tensile strength of material

由图3 可以看出,复合材料的断裂伸长率随着空心玻璃微珠含量的增加而呈现下降趋势。空心玻璃微珠填充PP 后,基体与粒子的界面结合并不十分理想。随着空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠与基体结合力有降低趋势,导致基体间材料的间隙变大,从而使单位截面积上基体受力变小,所以在一定程度使复合材料的断裂伸长率减小。

图3 空心玻璃微珠含量对材料断裂伸长率的影响Fig.3 Effect of content of hollow glass bead on elongation at break of material

2.3 弯曲强度和弯曲模量

由图4、图5 可以看出,当空心玻璃微珠含量增加时,弯曲模量和弯曲强度都增大。同时也可以得到弯曲性能随着空心玻璃微珠的加入而非常敏感。与纯PP 相比,当空心玻璃微珠含量达20% 时,弯曲模量相对于纯PP的两倍。复合材料任一横截面上有大量的空心玻璃微珠来承载负荷,而使这些空心玻璃微珠从树脂中抽出或者断裂,需要对其复合材料施以更大的负载去克服空心玻璃微珠与PP 基体之间的各种力。同时,由于空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠之间的树脂层变薄。树脂的形变也受到空心玻璃微珠的约束,因而复合材料的弯曲模量也随之增大。

图4 空心玻璃微珠含量对材料弯曲强度的影响Fig.4 Eff ect of content of hollow glass bead on bending strength of material

图5 空心玻璃微珠含量对材料弯曲模量的影响Fig.5 Eff ect of content of hollow glass bead on bending modulus of material

2.4 冲击强度

由图6 可以看出,随着空心玻璃微珠的增加,冲击强度呈现下降趋势。主要是随着空心玻璃微珠含量增加,空心玻璃微珠容易在基体内堆积而导致分布不均,从而形成内部缺陷。而在玻璃微珠增强聚丙烯时不能引起银纹并且也没有阻止裂纹扩展,材料空化效应也不强,随着空心玻璃微球颗粒的加入导致聚丙烯材料内部存在大量的应力集中点,当受到外力冲击时,它诱发裂纹增长导致材料发生断裂,使冲击强度下降。

图6 空心玻璃微珠含量对材料冲击强度的影响Fig.6 Eff ect of content of hollow glass bead on impact strength of material

2.5 维卡软化温度

由图7 可以看出,随着空心玻璃微珠含量的增加,维卡软化温度呈现上升趋势。当空心玻璃微珠含量进一步增加时,其微粒团聚形成较大颗粒,剪切流动时,颗粒间碰撞及摩擦产生阻力,导致体系流动性下降,因此复合材料的维卡软化温度随着空心玻璃微珠含量的增加而升高。

图7 空心玻璃微珠含量对维卡软化温度的影响Fig 7 Effect of content of hollow glass bead on Vicat softening point of composite

3 结论

(1)复合材料的密度、断裂伸长率和冲击强度随着空心玻璃微珠含量的增加而减小,拉伸强度先增大而减小,弯曲强度、弯曲模量和维卡软化温度随着空心玻璃微珠的含量增大而增大。

(2)当空心玻璃微珠含量5% 时,复合材料的力学性能最优。当少量空心玻璃微珠加入时,使其在PP 树脂中形成多维网状结构,起到协同增强作用,使复合材料的力学性能得到提高。由于添加空心玻璃微珠使复合材料密度降低明显,因此在汽车轻量化材料方面具有广阔的应用前景。