硅烷偶联剂对PP／GNPs复合材料性能的影响

2022-06-14古莘旺郭茂邓林寿王彩红鲁圣军

现代塑料加工应用 2022年1期

古莘旺郭茂邓林寿王彩红鲁圣军

（1．贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳，550025；2．贵州大学化学与化工学院，贵州贵阳，550025；3．贵州晟扬管道科技有限公司，贵州贵定，551302）

聚丙烯（PP）性能优异、容易加工，在许多领域都有广泛应用［1］。但是，PP存在强度较低、耐低温冲击性差、容易产生静电以及较易老化降解等缺点，限制了其应用。因此，PP作为一种基体材料，需要与一些有特定性能的无机填料如石墨烯（GNPs）等通过物理或化学的方式混合，使其在力学、电学、导热等方面得到改善的功能型复合材料［2-5］。GNPs［6］具有优异的力学性能、导电导热性能，是制备高强度聚合物纳米复合材料的理想填充物［7-9］。在化工领域，PP／GNPs复合材料代替金属材料用作散热片、散热管等方面有较大的应用前景。然而GNPs与PP混合时，GNPs的团聚现象十分明显，导致复合材料性能降低。以下采用硅烷偶联剂KH550，KH560和KH570对GNPs进行表面改性，再通过预混、熔融共混、挤出制备了PP／改性GNPs复合材料，研究3种硅烷偶联剂对其导热系数、电导率、力学性能和热稳定性的影响。

1 试验部分

1．1 主要原料

PP，T30S，德州金和化工经贸有限公司；GNPs，片材直径2～3μm，厚度约2 nm，江苏先丰纳米材料科技有限公司；硅烷偶联剂，KH550，KH560和KH570，纯度97%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1．2 主要设备与仪器

双螺杆挤出机，SJZS-10，注塑机，SZS-20，风冷输送机，SFS-120，塑料切粒机，SQS-180，均为武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司；万能试验机，E44．304，美国美特斯公司；冲击试验机，PIT501J，深圳万测试验设备有限公司；热重分析仪（TG），TG Q500，差示扫描量热仪（DSC），DSC Q50，均为美国TA 公司；扫描电子显微镜（SEM），S-3400N（II），日立公司；热常数分析仪，TPS500S，瑞典Hot Disk公司；四探针测试仪，SZT-2C，苏州同创电子有限公司。

1．3 PP／改性GNPs复合材料制备

使用无水乙醇将KH550，K H560和KH570（与GNPs等质量）溶解后，与GNPs（按照PP质量的1%）混合并搅拌均匀，置于90℃烘箱烘干。按照PP质量的1%称取改性GNPs，再和一定量的PP预混合、挤出、切粒，螺杆转速为50 r／min，一区～三区温度分别为160，195，200℃；将粒料注射成标准样条以测试力学性能。添加KH550，KH560和KH570的PP／改性GNPs样品编号分别记为PP／GNPs-550，PP／GNPs-560 和PP／GNPs-570，未添加硅烷偶联剂的复合材料编号记为PP／GNPs。

1．4 性能测试及表征

TG分析：氮气气氛，以20℃／min从室温加热到600℃。

DSC分析：氮气气氛，称取约5 mg样品，先以40℃／min升至250℃（一次升温），恒温3 min，消除热历史；再以20℃／min冷却至60℃（一次降温），恒温5 min；最后以20 ℃／min再次升至200℃（二次升温），记录其熔融和结晶曲线。

SEM 分析：断面采用液氮脆断，观察改性GNPs在PP基体中的分散情况，加速电压10 k V。

拉伸强度按照GB／T 1040—2018测试；弯曲强度按照GB／T 9341—2008测试；冲击强度按照GB／T 1043—2018测试。

2 结果与讨论

2．1 PP／改性GNPs复合材料的力学性能

表1是PP／改性GNPs复合材料的力学性能。从表1可以看出，与PP／GNPs相比，PP／改性GNPs复合材料的力学性能都明显提升。PP／GNPs-550，PP／GNPs-560，PP／GNPs-570的拉伸强度分别提高了3．3%，11．3%，1．3%；弯曲强度分别提高了7．6%，12．3%，10．6%；冲击强度分别提高了61．1%，89．4%，50．5%。其中PP／GNPs-560改性的效果最佳。这是因为硅烷偶联剂增加了PP与GNP之间界面结合力。