玻璃纤维平均长度

1、玻璃纤维增强聚丙烯(PP )作为一种通用热塑性增强复合材料，具有弹性模量高、强度 高、热变形温度高、尺寸稳定性好、价格低廉等优点，应用十分广泛。在配方与挤出机螺 杆结构一定的情况下，加工工艺条件是影响复合材料与制品性能的重要因素，为获得性能 优异的玻纤增强PP复合材料，本文在优化复合材料配方的基础上，讨论了加工工艺对材料 性能的影响。1实验部分齐鲁石化公司 市售南京曙光化工厂自制市售1.1主要实验原料PP(共聚物)无碱玻璃纤维偶联剂KH-550PP-g-MAH其他助剂1.2主要仪器设备南京科亚橡塑机械公司香港震雄集团济南试验机厂河北承德材料试验机厂双螺杆挤出机(SHJ-55)注塑成型机(CT-

2、1250)电子万能试验机(WDS-10型)简支梁冲击试验仪(XCT-40型)1.3粒料制备工艺1.3.1 PP接枝物增容剂的制备将PP与适量的MAH及其他助剂在高速混合机中混合后，用双螺杆挤出机挤出造粒，制 得 PP-g-MAH。1.3.2玻纤增强PP的制备将PP与PP-g-MAH及其他辅料、助剂等按比例加入高速混合机内混合，从双螺杆挤出 机的主加料装置定量加入共混料，从第4区加入定量的无碱玻璃纤维，与熔化的混合物料 共混、挤出、牵引、冷却、切粒，制成玻纤增强PP改性料。玻纤增强PP粒料的生产工艺流程如图1所示。PP1PP-g-MAH一混合一共混挤出一牵引冷却一切粒包装辅料、助剂-t玻璃纤维一

3、表面处理图1玻纤增强PP粒料的生产工艺流程1.4试样制备与性能测试按国家有关标准注塑成型标准试样。材料的拉伸强度、简支梁缺口冲击强度分别按 GB/1040-92、GB9341-88 测定。2结果与讨论2.1玻纤增强PP复合材料的配方设计玻纤增强PP的物理化学性能取决于基体树脂与玻纤界面的结合力。通过纤维材料与 PP树脂的牢固粘接，使PP树脂不能承载的负荷或能量转移到支撑的纤维上，从而提高PP 树脂的力学性能。偶联处理和接枝增容是提高玻纤增强PP界面结合力的主要途径。下面的 讨论，玻纤质量含量均为20%。2.1.1玻纤表面的偶联处理在制备玻纤增强PP复合材料时，为了提高玻纤与PP树脂的界面粘合力

4、，需要用偶联 剂对玻纤表面进行处理。本文采用硅烷偶联剂KH-550。由于硅烷偶联剂与PP和玻纤都有 一定程度的亲和性，即其分子的一端（亲水基）为可水解基团，水解后的硅羟基可与玻纤表 面的硅羟基发生缩合反应，与玻纤表面形成化学键，实现良好的界面结合；而另一端（亲油 基）与PP形成物理结合，从而使二者界面的结合力加强，提高了玻纤增强PP的力学性能。 但由于PP分子结构中不存在活性基团，硅烷偶联剂不能与PP形成化学键，只能以范德华 力与PP作用，因此，偶联剂对玻纤增强PP的界面虽有一定的促进作用，但效果不显著。2.1.2 PP接枝物增容用马来酸酐（MAH）等不饱和羧酸与PP的接枝物来增容玻纤增强PP

5、可显著提高材料的综 合性能。图2（略）为增容剂用量对玻纤增强PP拉伸强度和缺口冲击强度的影响。由图可见，在 接枝物用量小于9%时，玻纤增强PP的拉伸强度和缺口冲击强度随接枝物用量的增加而有 较快的升高；当接枝物用量大于9%后，强度增长有停滞的趋势。这是由于在玻纤增强PP 中加入少量接枝物PP-g-MAH后，其非极性PP长链与PP树脂相互作用、缠绕，其极性的接 枝单体与玻璃纤维表面相互作用，形成离子键，增加了 PP与玻璃纤维之间的界面粘接。随 着接枝物用量的增加，其包覆玻璃纤维的表面逐渐增大，使树脂和玻纤的界面亲和力增大， 从而使其拉伸强度和冲击强度提高很快；但当接枝物达到一定量时，PP树脂和玻

6、璃纤维的 界面已布满PP-g-MAH，再增加其用量，多余的接枝物已不起作用；同时由于用量较大，接 枝物本身的机械物理性能对玻纤增强PP材料的影响占了主导作用，强度基本不再增长。2.2玻纤长度对增强PP性能的影响在配方和挤出机螺杆结构一定的条件下工艺条件对玻纤增强PP性能具有直接的影响。 玻纤增强PP性能的优劣，与玻纤在树脂混合料中的长度、分散均匀性、取向状态等因素有 关，其中玻纤长度是关键因素。图3（略）是玻纤平均长度对玻纤增强PP拉伸强度和缺口冲击强度的影响。采用通常的 成型方法，塑料制品中的玻纤长度大约为0.3-0.6mm。由图可见，随着玻纤长度增加，复 合材料的拉伸强度和冲击强度均有不同

7、程度的提高。这是因为，在玻纤增强塑料中，玻纤 只有达到一定长度之后才能传递应力，起到增强作用。较长的玻纤长度有利于提高玻纤增 强PP的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等力学性能。2.3挤出温度对玻纤增强PP性能的影响挤出温度和挤出机螺杆转速对玻纤增强PP复合材料性能的影响主要是通过影响玻纤 的长度体现出来。塑料的挤出加工一般需要经历塑化、流动、冷却固化3个步骤。加工温 度一般控制在熔点温度以上、材料的分解温度以下。PP的加工温度一般为190-22OC，玻 璃纤维的熔化温度在700C左右。图4（略）是挤出温度对玻纤增强PP拉伸强度和缺口冲击 强度的影响。由图可以看出，随着挤出温度的升高，玻纤增强PP

8、拉伸强度和缺口冲击强度 均有不同程度的提高；当温度从190C上升到220C时，材料的强度增长很快；当温度超过 220C时，材料强度的增长幅度缓慢。这是由于，PP树脂熔体是假塑性流体，温度较低时， PP树脂和玻璃纤维对温度的敏感性非常强；随着PP树脂的流动性增强，材料中玻纤的平 均长度变长，材料的拉伸强度和缺口冲击强度提高；当温度继续升高，温度已不是决定玻 纤长度的主要因素，玻纤长度变化很小，材料的拉伸强度和缺口冲击强度不再增加。2.4挤出机螺杆转速对玻纤增强PP性能的影响挤出机螺杆转速对玻纤增强PP材料中纤维长度和拉伸强度的影响如图5(略)所示。图 5表明，随着螺杆转速的升高，材料的拉伸强度和

9、缺口冲击强度均呈下降的趋势。这主要 是因为随着螺杆转速的升高，熔体在料筒中受到的剪切力增大，玻璃纤维与料筒和螺杆的 摩擦力增加，导致大量纤维被螺杆绞断，纤维的平均长度变小，由于纤维长度变短，使得 玻纤增强PP材料的强度下降。2.5注射速率对玻纤增强PP性能的影响在注塑制品时，注射速率对最终制品的性能影响较大。图6(略)是注射温度为220C，注射速率分别取30%、40%、50%、60%、70%对玻纤增强 PP复合材料纵向、横向拉伸强度的影响。由图可知，随着注射速率的增加，制品的纵向拉 伸强度增加，横向拉伸强度下降。这是因为玻纤在注射时发生了取向。注射速率对玻纤增 强PP制品力学性能的影响是通过对取向程度的影响表现出来的。PP熔体在高速流动时， 分子链会沿流动方向产生取向。当分子链的取向状态不能恢复时，制品的内部就会产生较 大的内应力；除了？的分子链取向外，玻纤也会取向。当玻纤发生取向时，材料的横向拉 伸强度降低；随着注射速率的增加，玻纤的取向程度增加，制品的横向拉伸强度下降。3结论偶联剂、增容剂可增强玻璃纤维与PP树脂的界面结合力，显著提高玻纤增强PP 的性能。提高复