PP/改性高岭土复合材料的制备及性能

2023-07-15彭国志张琦伟周杨胡富强刘海

现代塑料加工应用 2023年3期

彭国志张琦伟周杨胡富强刘海*

(1.湖北大洋塑胶有限公司,湖北随州,432721;2.湖北工程学院化学与材料科学学院,湖北孝感,432000)

聚丙烯(PP)具有低密度、较高的强度和刚度、优良的绝缘性,其硬度和耐热性均优于聚乙烯,在汽车工业、器械、电器外壳、包装材料、食品以及建筑行业等领域得到了广泛应用。但PP 同时亦存在低温时变脆、不耐磨、易老化、易燃烧滴落且热变形温度较低等缺点,使其在阻燃材料和工程塑料材料方面的应用受限[1-3]。PP的功能化改性对于拓宽其应用领域、延长产品使用寿命、提升产品附加值和市场竞争率具有重要的理论意义和使用价值。

有机-无机复合是PP 功能化改性最常用的方法之一[4-5]。高岭土为层状硅酸盐黏土的一种,其具有良好的可塑性和耐火性,可作为高分子材料的填充剂使用[6-7]。但由于高岭土与高分子材料相容性差,使用前需对其进行深入加工或表面改性,常见的改性方法有煅烧法、偶联剂改性法、表面反应法和表面包覆法[8-10]。

下面通过高速机械混合法将液态三元乙丙橡胶(LEPDM)包覆在高岭土表面,制得了改性高岭土,将其与PP 熔融共混,制得了PP/改性高岭土复合材料,对比分析了高岭土和改性高岭土对PP力学性能、加工性能、阻燃性能和微观形貌的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PP树脂,SP179,中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司;高岭土,粒径40μm,茂名高岭科技有限公司;LEPDM,SH-15,东莞市胜浩塑胶原料有限公司。

电子天平,FA224,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;密炼机,SU-70,常州苏研科技有限公司;高速混合机,FW135,天津市泰斯特仪器有限公司;低速混合机,SHR-10,武汉怡扬塑料机械有限公司;平板硫化机,QLB-D350×350×2,宜兴市宜轻机械有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),Nicolet 380,美国尼高力仪器公司;简支梁冲击试验机,XJFD-50,承德市东来检测仪器有限公司;电子万能试验机,LD24.203,力试(上海)科学仪器有限公司;熔体流动速率仪(MFR),KL-MI-AP,东莞市昆仑检测仪器有限公司;氧指数测定仪,XZT-100A,承德市科承试验机有限公司;扫描电子显微镜(SEM),JSM-6510,日本电子株式会社。

1.2 样品制备

将高岭土和LEPDM 以质量比90∶10加入高速混合机中,转速为24 000 r/min,混合2 min,通过高速剪切作用将黏稠状LEPDM 粉碎并分散,均匀包覆于高岭土表面,制得了改性高岭土。

将PP树脂、高岭土和改性高岭土按照表1配方加入低速混合机中,混合均匀,转速为120 r/min,时间为5 min,然后将物料放入微型密炼机中熔融共混,制得了PP/高岭土复合材料和PP/改性高岭土复合材料,密炼温度为190 ℃,时间为5 min。表1为试验配方。

表1 试验配方%

1.3 测试与表征

FTIR 分析:KBr 压片,波长为4 000 ～500 cm-1。

拉伸性能测试按照GB/T 1040.1—2018 进行,拉伸速率为50 mm/min。

冲击性能测试按照GB/T 16420—1996进行,样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

MFR 测试:载荷为2.16 kg,温度为230 ℃。

氧指数测试按照GB/T 2406.2—2009 进行,样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

SEM 观察:断面喷金,电压为10 k V。

2 结果与讨论

2.1 FTlR分析

图1为高岭土改性前后的FTIR 分析。

图1 高岭土改性前后的FTlR分析

由图1可以看出:2 852 cm-1和2 925 cm-1处的峰分别为—CH2和—CH3的伸缩振动峰,表明LEPDM 成功包覆在高岭土表面。

2.2 力学性能分析

图2为样品的拉伸强度。

由图2可以看出:样品的拉伸强度随填料含量增加逐渐降低,当填料含量相同时,PP/改性高岭土复合材料的拉伸强度高于PP/高岭土复合材料。这是因为片层状的高岭土颗粒尺寸较大,在PP基体中难以发挥物理交联点的作用,而LEPDM 会改善高岭土与PP基体的相容性,提高其在PP基体中的分散性。

图3为样品的弹性模量。

图3 样品的弹性模量

由图3可以看出:样品的弹性模量随填料含量增加逐渐增大。当填料含量相同时,PP/高岭土复合材料的弹性模量高于PP/改性高岭土复合材料。这是因为高岭土为无机刚性粒子,其模量高,且可以限制PP分子链的运动。LEPDM 可以改善高岭土与PP基体之间的相容性,提高高岭土在PP基体中的分散性。

图4为样品的缺口冲击强度。

图4 样品的缺口冲击强度

由图4可以看出:样品的缺口冲击强度随填料含量增加先升高后降低。且当填料含量相同时,PP/改性高岭土复合材料的缺口冲击强度均高于PP/高岭土复合材料。当改性高岭土质量分数为10%时,PP/改性高岭土复合材料的缺口冲击强度达到最大,为12.63 kJ/m2。这是因为LEPDM 可以改善高岭土与PP 基体的相容性,提高其在PP基体中的分散性,同时,LEPDM 作为增韧剂,会适度提升PP 的冲击韧性。但是,当填料含量较高时,其在PP基体中容易发生团聚,使PP基体的缺口冲击强度降低。

2.3 加工性能分析

图5为样品的MFR。

图5 样品的MFR

由图5可以看出:样品的MFR 随填料含量增加先升高后降低。当填料含量相同时,PP/改性高岭土复合材料的MFR 均高于PP/高岭土复合材料。当改性高岭土质量分数为10%时,PP/改性高岭土复合材料的 MFR 达到最大,为1.75 g/10 min。这是因为作为增塑剂,LEPDM 减少了高岭土对PP分子链运动能力的限制。

2.4 阻燃性能分析

样品的氧指数如图6所示。

图6 样品的氧指数

由图6可以看出:样品的氧指数随填料含量增加呈现上升趋势。当填料含量相同时,PP/高岭土复合材料的氧指数均略高于PP/改性高岭土复合材料。这是因为高岭土是一种具有良好阻燃性能的无机填料,尽管LEPDM 改善了高岭土在PP基体中的分散性,增强了高岭土与PP基体之间的界面黏结,但LEPDM 属于易燃有机材料,会降低复合材料的阻燃性能。

2.5 微观形貌分析

图7为样品冲击断面的SEM 形貌。

由图7(a)和图7(b)可以看出,当填料含量较低时,其在PP 基体中均具有良好的分散性;随着填料含量的增加,PP 基体中逐渐形成团聚体,如图7(c)和图7(d)所示;当填料质量分数达40%时,PP 基体中形成很多团聚体,如图7(e)和图7(f)所示。对比发现,改性高岭土在PP基体中的分散性比高岭土好。