PP复合材料的力学性能的研究

1、PP复合材料的力学性能的研究摘要：PP/CaCO3复合材料,PP/ LCP 复合材料,木塑复合材料对力学性能进行分析。关键词: PP/CaCO3复合材料,PP/ LCP 复合材料,木塑复合材料,力学性能。前言 聚丙烯（PP）是由丙烯聚合而得到的高分子化合物。由于其原料丰富，合成工艺比较简单，与其他通用热塑性塑料相比，PP 具有相对密度小、价格低、加工性好以及综合性能较好等特点，其屈服强度、拉伸强度、表面硬度及弹性模量均较优异，并有突出的耐应力开裂性和耐磨性，因而在汽车工业、家用电器、建筑行业等多方面得到广泛的应用。但 PP 也存在低温脆性、韧性差以及机械性能较低、成型收缩率大等缺点，因此在应用

2、上作为结构材料使用时受到了很大限制。为了扩大 PP 的应用范围并降低成本，必须对 PP 进行一定的改性。PP/CaCO3复合材料试样制备（1）将微米 CaCO3和纳米 CaCO3分别放入干燥箱中烘干。（2）使用适量的钛酸酯偶联剂对CaCO3进行表面处理，并分别将表面处理前和表面处理后的 CaCO3与 PP按照一定的质量配比在高速混合机中混合，得到CaCO3与 PP 的初步混合物。（3）将 CaCO3与 PP 的初步混合物，放在双螺杆挤出机上塑化挤出，挤出物经过水槽冷却后，再经过风干装置初步吹干，最后通过切粒机切断造粒。（4）将制得的 PP 复合材料粒料烘干后，用注塑机注射出标准拉伸和冲击试样。

3、 CaCO3含量对 PP/CaCO3复合材料力学性能的影响从图 3 和图 4 中微米和纳米 CaCO3粒子填充 PP复合材料的力学性能可以看出，经表面处理的纳米CaCO3与微米 CaCO3填充 PP 后，复合材料的力学性能趋势基本相同。复合材料的拉伸强度和冲击强度随着填充粒子含量的增加，先增大后减小。当用纳米 CaCO3填充时，最大值出现在 CaCO3含量为 6%处，拉伸强度比 PP 基体提高 22%，冲击强度比 PP 基体提高 90%；而用微米 CaCO3填充时，最大值出现在 CaCO3含量为4%处，但此时的拉伸强度和冲击强度比 PP 基体增加不大。从而可知，纳米 CaCO3的填充改性效果明

4、显好于微米 CaCO3的填充改性效果，这说明纳米 CaCO3与PP 树脂具有一定程度的相容性，能起到增强增韧的效果，这一点与微米级的 CaCO3有明显的区别。从图 3 和图 4 中还可以看到，随着 CaCO3含量的增加，复合材料的拉伸强度和冲击强度增大，在峰值过后，复合材料的力学性能都在下降，但添加纳米 CaCO3复合材料的下降幅度比添加微米 CaCO3的大得多。这是由于当纳米 CaCO3含量较小的时候，纳米粒子在 PP中的分散效果比较好。此时，随着在基体中能良好分散开的 CaCO3粒子增加，体系中起到应力集中点的颗粒增加。而且纳米粒子的比表面积大，能引发更多的银纹吸收能量，因而材料的力学性能

5、增高幅度大。但在纳米CaCO3添加量较多时，由于高的表面能的作用，纳米粒子难以在基体树脂中均匀分散，粒子间也容易发生团聚，从而造成复合材料的冲击强度和拉伸强度下降快的趋势。PP/ LCP 复合材料试样的制作方法 PP/ LCP 以重量百分比: 100/ 0, 80/ 20, 60/ 40,40/ 60, 20/ 80, 0/ 100 的比例用单螺杆挤出机( ( 株)东洋精机制作所制) 进行混合。混合条件: 出口温度230 , 螺杆转速 150 rpm 。混合后, 使用注射成形机( 日本制钢( 株) 制, J75SS2) 制成 JIS1 号哑铃板状型试 验片 ( 如图 1: 平 行部 60mm

6、,宽 10mm ,厚2 mm) 。成形条件: 注射出口温度 200 , 模具温度40 , 射出速度 22 cm3/ s, 射出压力 56. 4 MP a, 冷却时间 20s。抗拉特性及破坏特征图 5 为各配比试样拉伸实验下的标称应力-应变曲线。在室温条件下, PP 为典型的延性材料, 在发生初期的屈服后产生缩颈并随着缩颈部的延伸应变也不断增大。而L CP则为典型的脆性材料, 虽然破坏强度较高( 97MP a) ,但应变仅仅在 23 %范围内便发生破断。这二种性能完全不同的材料复合后,从整体来看随着 LCP 量的增加试样的破坏强度上升, 而破断时的应变量则呈下降倾向。当L CP量大于 60 %

7、以后, 因复合材料的基体由 PP 转变为脆性的 LCP, PP 的存在使 LCP 的强度得不到充分的发挥。如: LCP= 60 %时, 复合材料的强度约为LCP的 50 %左右, LCP 达到 80 % 时, 其强度仅为LCP的 66 % 左右, 同时应变量也降到最小值,P P相的存在对材料的延性特性的改善不仅没有帮助, 反而成为软弱相造成材料的强度大幅度下降。所以在以L CP相为基体时P P的加入对材料的延性及强度特性均带来不良影响。此外还可以看出, 微量的 LCP的加入也使 PP 的延性特性产生大幅度下降, 试样在产生屈服, 即L CP含量较少时( 如 20 % ) , 应变的低下较大而强

8、度的上升却很小。这是值得注意的问题点。但作者对此材料采用塑性加工处理后得到了与PP几乎相当的延性性能, 这为解决复合材料延性下降的问题提供了新的途经。从图 6 的破断面( PP/ LCP= 80/ 20, 60/ 40, 40/60) 的状况可以得知,L CP在 40 % 以下时, 试样的破坏伴随着增强剂L CP的断裂破坏, 而不是单纯地从P P基体中被抽出。这说明增强剂LCP与基体相P P之间有着较强的粘着力, 在拉伸过程中起到了增强的作用。本实验虽然未进行相溶化处理, 但从上述的热膨增强剂特性可知,P P材有着比较大的热膨胀率, 而增强剂 LCP 的热膨率为零, 因此在高温注射成形后的冷却

9、过程中, 基体 PP 产生较大的收缩将不发生收缩的 LCP 相紧紧抱住, 增加了两相的粘着强度。LCP 在 60 % 以上时, 基体由 PP 转变为脆性相 LCP, 破坏主要为LCP 相的断裂所至。木塑复合材料以作为塑料基体，以木粉作为填料，并加入添加剂，用挤出成型法制备了高份额木粉填充的，研究配方中的增韧剂和相容剂等对力学性能的影响。增韧剂对的改性作用 未经增韧改性的冲击强度较低，脆性较大，耐低温性能差，缺乏实用价值。本文分别以和为增韧剂按 表配 方 制 备 了 木 粉 含 量 高 达的 增 韧 改 性。表中的配方至是以为增韧剂的配方，配方至是以为增韧剂的配方，为不含增韧剂的配方。测定制得的

10、的力学性能，结果见图至图。图所示为增韧剂加入量对简支梁无缺口冲击强度的影响。由图可见，随着增韧剂用量增加，的冲击强度持续增加，表明增韧剂对改善的韧性具有显著效果。这是因为增韧剂的加入一方面降低了的结晶度，减少了其脆性；另一方面，增韧剂为弹性体，在受力时，能通过形变将力消耗吸收，防止裂纹产生而破坏材料，因而改善了的冲击性能。由图还可见，加入增韧剂的量相同时，在改善冲击性能上要优于。这可能是由于的侧己基长于侧甲基，在分子链间起到一种联结、缓冲作用，减少银纹因受力发展成裂纹的缘故。图所示为增韧剂用量对弯曲强度的影响。由图可见，随着增韧剂用量的增加，的弯曲强度降低。这是因为随着增韧剂用量的增加，塑料基

11、体的结晶度降低，再加上本身增韧剂的强度就比低，从而导致的弯曲强度不断降低。由图还 可 见，加 入 增 韧 剂 的 量 相 同 时，对弯曲强度降低的影响比小。图所示为增韧剂用量对弯曲模量的影响。由图可见，随着增韧剂用量的增加，的弯曲模量也降低。其原因一方面是因为增韧剂降低了塑料基体的结晶度，从而降低了基体的刚性，另一方面，增韧剂本身的模量就比低得多。由图还可见，加入等量增韧剂时，对弯曲模量降低的影响比小。综合图可知：对的增韧效果优于，如果要保证具有较高的弯曲强度和模量，增韧剂的加入量不能太大。相容剂对的改性作用由于木粉表面存在很多羟基，具有很强的极性，亲水性很强，因此木粉与非极性的难以相容，如果

12、直接混合制得的的力学性能将很差，因此，本文选用作为相容剂，按表配方，用挤出成型法制备了不同含量的，测定了其力学性能，以研究改善木粉与界面相容性的效果，结果见图至图。图为加入量对弯曲强度的影响。由图可见，随着含量增加，的弯曲强度得到了显著提高，当加入量从（不加）增加至时，的弯曲强度从增加至，弯曲强度增加了。这是因为接枝在上的马来酸酐基能与木粉上的羟基反应形成了酯键，而上的基能与塑料基体相容，从而改善了极性的木粉与非极性的界面相容性。但是，当加入量超过后，的弯曲强度开始随着加入量增加而降低，这是因为的分子量显著小于，过多地加入会使塑料基体的强度降低，最终导致的弯曲强度降低。这表明，在实验条件下，提高弯曲强度所需的量最佳值为。图所示为加入量对弯曲模量的影响。由图可见，随着含量增加，的弯曲模量也得到了显著的提高，但当的加入量超过后，弯曲模量开始降低，其变化趋势与弯曲强度的变化趋势一致，其原因也与的弯曲强度先升后降的变化原因相同。图所示为加入量对冲击强度的影响。由图可知，随着含量增加，的冲击强度也是先升后降。冲击强度增加也是因为的加入改善了木粉与界面的相容性，含量趋过以后冲击强度降低也是因为加入