PP/EPDM/碳纳米管复合材料的性能研究

谢艳亭 耿宏伟 刘俊杰 陈 燕 郝文姝

（朔州陶瓷职业技术学院材料工程系，山西 怀仁 038300）

0 前言

聚丙烯（Polypropylene，PP）[1-3]具有结构规整、结晶度高、吸水率极低、不需要干燥、密度低、质量最轻以及容易加工成型等优点，而且还具有优良的耐腐蚀性和电绝缘性。但是，PP 的韧性较差，因此限制了它的应用范围，而PP/弹性体增韧体系可以解决该问题，常用于PP 共混的弹性体有三元乙丙橡胶（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）、乙丙橡胶（Ethylene Propylene Rubber，EPR）和聚烯烃弹性体（Poly Olefin Elastomer，POE）[1]。其中，EPDM、POE 对PP 的增韧改性效果最好，而EPDM、PP 的相容性较高，在制备PP/EPDM 共混物的过程中不添加相容剂也可以获得很好的增韧效果。此外，聚丙烯优良的绝缘性为人们的生活提供了便利。与此同时，由静电所导致的危害也极大地影响了其应用，采用无机导电填料来填充PP 可以很大程度地避免这种危害，提高其导电性，碳纳米管[2]作为一种性能优异的无机导电填料，在与高分子塑料混合后，共混物的导电性与拉伸冲击强度等都会得到明显改善。因此该文通过熔融共混法[2-3]制备了PP/EPDM/碳纳米管复合材料，探究各组分对该复合材料性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验设备及测试仪器

该文使用的试验设备及测试仪器见表1，通过试验设备制备共混物，制得的共混物通过试验仪器进行测试分析。?

表1 试验设备及测试仪器

1.2 试验材料

该文制备共混物所使用的试验材料见表2。

表2 试验材料

1.3 试验流程

1.3.1 碳纳米管的纯化

采用混酸法处理[4-8]，浓硫酸与浓硝酸比例为3 ∶1，先经过电磁震荡0.5 h，然后水浴机械搅拌2.0 h，最后抽滤烘干进行红外表征。

具体流程如下：先称取2 g 碳纳米管，进行碳纳米管纯化的初步测试。首先，需要把待用的仪器量具洗净烘干，将称好的碳纳米管置于三口烧瓶中，接下来量好浓硝酸和浓硫酸，浓硫酸与浓硝酸的比例为3 ∶1，初步混合好后，将三口烧瓶置于电磁振荡器中，时间为0.5 h，使其得到初步混合，振荡结束后，提前准备铁架台、水浴锅和搅拌棒，并将水浴锅的温度升至80 ℃。其次，对碳纳米管等物质进行水浴加热，机械搅拌，2.0 h 后取下静置一段时间使其分层，倒掉上清液，然后进行抽滤直至中性，置于蒸发皿中放在60 ℃的烘箱中烘干。最后，用研钵研磨进行红外测试，直至成功后再进行大量的纯化，以备后期使用。

1.3.2 PP/EPDM 二元共混物的制备

在配方的设计过程中，先以PP 为基体，以一定的配比（例如0%、5%、10%、15%、20%、30%、40%和50%）加入EPDM，将过氧化二异丙苯（DCP）作为交联剂，以制得共混物，PP 与EPDM 二元共混物的具体的原料组成见表3。其中，PP 的添加量固定，EPDM 的添加量作为单一变量不断增加，根据性能分析PP 与EPDM 的最佳配比。

表3 PP/EPDM 的二元共混物配方

1.3.3 PP/EPDM/碳纳米管三元共混物的制备

对PP/EPDM 二元共混物的力学性能进行分析，当EPDM的添加量为30%时，PP/EPDM 复合材料的综合力学性能较高，因此，当后期制备PP/EPDM/碳纳米管共混物时，采用EPDM 为30%的最佳配比，然后在该基础上讨论碳纳米管的用量对该三元共混物性能的影响。PP/EPDM/碳纳米管三元共混物的具体配方见表4，PP 和EPDM 的添加量固定，碳纳米管的添加量作为单一变量不断增加，分别制得PP/EPDM/碳纳米管三元共混物。

表4 PP/EPDM/碳纳米管三元共混物的配方

2 结果与讨论

2.1 碳纳米管的红外表征

红外光谱在聚合物的表征及测试中主要用来分析分子的内部结构和坚定聚合物，红外光谱分析分为定性、定量分析。红外光谱的横坐标一般为波数，纵坐标一般为吸光度，主要从谱带的形状、谱带吸收峰的强度以及吸收谱带的位置来分析红外图。

碳纳米管酸化前后的红外表征图的对比如图1 所示。由图1 可知，在4 000 cm-1~3 000 cm-1的光谱区域内，酸化之后的碳纳米管的吸收峰明显增强，说明纯化之后的碳纳米管的O-H 键明显增多；在1 900 cm-1~1 650 cm-1的光谱区域内，酸化后的碳纳米管的吸收峰也有一定程度增强，说明纯化后的碳纳米管的C=O 键也增多了；在1 500 cm-1~1 000 cm-1的光谱区域内，纯化过的碳纳米管的吸收峰也比原来的碳纳米管强。综上所述，纯化过后的碳纳米管与原来的碳纳米管相比，羟基与羧基都明显增多，即碳纳米管酸化后改性成功。

图1 碳纳米管纯化前后的红外表征

2.2 PP 复合材料力学性能的表征

材料的力学性能是指材料在不同温度、不同介质的环境下，承受各种外加载荷（例如拉伸、弯曲、扭转、冲击以及交变应力等）所表现出来的力学特征。该试验主要采用拉伸强度及冲击强度对该复合材料的力学性能进行表征。拉伸强度、冲击强度（采用冲击能量除以缺口处的横截面积来计算）均取平均值，以减少偶然误差。

2.2.1 PP/EPDM 复合材料的力学性能

EPDM 用量与PP/EPDM 复合材料拉伸强度和冲击强度的关系如图2 所示。

图2 EPDM 用量与PP/EPDM 共混物拉伸强度的关系

由图2 可知，随着EPDM 用量增加，PP/EPDM 复合材料的拉伸强度先下降后上升，再下降又上升，最后趋于稳定的变化趋势，纯PP 的拉伸强度为27.5 MPa，随着EPDM 添加量不断增加，PP/EPDM 复合材料的拉伸强度总体呈下降的趋势，而且总体下降不超过10.0 MPa。因此，可以认为加入EPDM 会使PP/EPDM 复合材料的拉伸强度小幅度地下降。

EPDM 的添加量对PP/EPDM 复合材料冲击强度的影响如图3 所示。随着EPDM 添加量增加，PP/EPDM 复合材料的冲击强度先上升后下降，接着又急剧上升，最后又有轻微下降的趋势。纯PP 的冲击强度为61.35 kJ/m2。由此可知，加入EPDM 会使PP/EPDM 复合材料的冲击强度提高。

图3 EPDM 的用量与PP/EPDM 共混物冲击强度的关系

总体来说，当EPDM 的添加量约为30%时，PP/EPDM复合材料的综合力学性能较高，当后期制备PP/EPDM/碳纳米管共混物时，采用EPDM 为30%的最佳配比。

2.2.2 PP/EPDM/碳纳米管复合材料的力学性能

碳纳米管的用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物拉伸强度的关系如图4 所示。随着碳纳米管添加量不断增加，该三元共混物的拉伸强度先增加后减少，然后又增加再减少。由此可见，当碳纳米管的添加量为合适的比例时，该三元共混物的拉伸强度会提高。由图4 可知，PP/EPDM二元共混物的拉伸强度为10.212 MPa。当碳纳米管的添加量为8%时，该共混物拉伸强度最高。

图4 碳纳米管用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物拉伸强度的关系

碳纳米管用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物冲击强度的关系如图5 所示。由图5 可知，随着碳纳米管添加量的不断增加，PP/EPDM/碳纳米管共混物的冲击强度先增加后减少，最后趋于稳定。PP/EPDM 二元共混物（碳纳米管的添加量为0%）的冲击强度为33.3 MPa，当碳纳米管用量为2%时，该共混物的冲击强度最高。

图5 碳纳米管用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物冲击强度的关系

2.3 PP/EPDM/碳纳米管复合材料电性能的影响

导电通道学说认为导电填料加到聚合物后不可能达到真正的多相均匀分布，总有部分带电粒子因相互接触而形成链状导电通道，使复合材料可以导电。当复合体系中导电填料的含量增加到某一临界含量时，体系的电阻率急剧下降，这时导电率-导电填料的含量曲线就会出现一个狭窄的突变区域，在该区域内，导电填料的微小变化都会导致电阻率出现显著变化，这种现象称为逾渗现象，这个临界值就是逾渗值。随着碳纳米管含量增加，复合材料的导电性变化呈现3 个区域，即绝缘区、逾渗区和导电区[9]。

碳纳米管的添加量对PP/EPDM/碳纳米管共混物表面电阻率的影响如图6 所示。由图6 可知，随着碳纳米管添加量增加，该共混物的表面电阻率有所波动。但是，当碳纳米管的含量为8%时，该共混物的表面电阻率最小。当碳纳米管的添加量小于或等于10%时，该共混物均没有导电，其原因是采用平板硫化机压出来的方片质量欠佳。

图6 碳纳米管的用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物电性能的关系

2.4 PP/EPDM/碳纳米管复合材料维卡软化点分析

维卡软化点可以反映聚合物的耐热性能。维卡软化点温度越高，说明聚合物耐热变形的能力越好。

碳纳米管的添加量对PP/EPDM/碳纳米管共混物维卡软化点的影响如图7 所示。由图7 可知，随着碳纳米管含量不断增加，PP/EPDM/碳纳米管共混物的维卡软化点先急剧上升，然后有所波动，最后基本趋于稳定。当碳纳米管的添加量为2%时，该共混物的维卡软化点达到最高，随后就开始下降了，即在此点该共混物的耐热变形的能力最高。

图7 碳纳米管的用量与PP/EPDM/碳纳米管共混物维卡软化点的关系

3 结语

PP 性能优异，用途广泛，但是该高分子材料的韧性较差，因此通过EPDM 对其进行增韧改性，制得了PP/EPDM 复合材料。此外，静电也限制了它的应用范围，可以采用碳纳米管来解决该问题，最终成功制得PP/EPDM/碳纳米管复合材料。结果表明，合适的EPDM 添加量可以明显提高PP/EPDM 复合材料的力学性能。该文以碳纳米管作为无机填料制备了PP/EPDM/碳纳米管三元共混物，由试验结果可知，适量添加碳纳米管可以显著提高PP/EPDM/碳纳米管三元共混物的力学性能（拉伸强度和冲击强度）；当碳纳米管的添加量为2%时，该三元共混物抗热变形的能力最强。