PP/改性高嶺土復(fù)合材料的制備及性能

彭國志 張琦偉 周楊 胡富強(qiáng) 劉海*

(1.湖北大洋塑膠有限公司,湖北 隨州,432721;2.湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,湖北 孝感,432000)

聚丙烯(PP)具有低密度、較高的強(qiáng)度和剛度、優(yōu)良的絕緣性,其硬度和耐熱性均優(yōu)于聚乙烯,在汽車工業(yè)、器械、電器外殼、包裝材料、食品以及建筑行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但PP 同時亦存在低溫時變脆、不耐磨、易老化、易燃燒滴落且熱變形溫度較低等缺點,使其在阻燃材料和工程塑料材料方面的應(yīng)用受限[1-3]。PP的功能化改性對于拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域、延長產(chǎn)品使用壽命、提升產(chǎn)品附加值和市場競爭率具有重要的理論意義和使用價值。

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合是PP 功能化改性最常用的方法之一[4-5]。高嶺土為層狀硅酸鹽黏土的一種,其具有良好的可塑性和耐火性,可作為高分子材料的填充劑使用[6-7]。但由于高嶺土與高分子材料相容性差,使用前需對其進(jìn)行深入加工或表面改性,常見的改性方法有煅燒法、偶聯(lián)劑改性法、表面反應(yīng)法和表面包覆法[8-10]。

下面通過高速機(jī)械混合法將液態(tài)三元乙丙橡膠(LEPDM)包覆在高嶺土表面,制得了改性高嶺土,將其與PP 熔融共混,制得了PP/改性高嶺土復(fù)合材料,對比分析了高嶺土和改性高嶺土對PP力學(xué)性能、加工性能、阻燃性能和微觀形貌的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

PP樹脂,SP179,中國石油化工股份有限公司齊魯分公司;高嶺土,粒徑40μm,茂名高嶺科技有限公司;LEPDM,SH-15,東莞市勝浩塑膠原料有限公司。

電子天平,FA224,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司;密煉機(jī),SU-70,常州蘇研科技有限公司;高速混合機(jī),FW135,天津市泰斯特儀器有限公司;低速混合機(jī),SHR-10,武漢怡揚塑料機(jī)械有限公司;平板硫化機(jī),QLB-D350×350×2,宜興市宜輕機(jī)械有限公司;傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR),Nicolet 380,美國尼高力儀器公司;簡支梁沖擊試驗機(jī),XJFD-50,承德市東來檢測儀器有限公司;電子萬能試驗機(jī),LD24.203,力試(上海)科學(xué)儀器有限公司;熔體流動速率儀(MFR),KL-MI-AP,東莞市昆侖檢測儀器有限公司;氧指數(shù)測定儀,XZT-100A,承德市科承試驗機(jī)有限公司;掃描電子顯微鏡(SEM),JSM-6510,日本電子株式會社。

1.2 樣品制備

將高嶺土和LEPDM 以質(zhì)量比90∶10加入高速混合機(jī)中,轉(zhuǎn)速為24 000 r/min,混合2 min,通過高速剪切作用將黏稠狀LEPDM 粉碎并分散,均勻包覆于高嶺土表面,制得了改性高嶺土。

將PP樹脂、高嶺土和改性高嶺土按照表1配方加入低速混合機(jī)中,混合均勻,轉(zhuǎn)速為120 r/min,時間為5 min,然后將物料放入微型密煉機(jī)中熔融共混,制得了PP/高嶺土復(fù)合材料和PP/改性高嶺土復(fù)合材料,密煉溫度為190 ℃,時間為5 min。表1為試驗配方。

表1 試驗配方%

1.3 測試與表征

FTIR 分析:KBr 壓片,波長為4 000 ～500 cm-1。

拉伸性能測試按照GB/T 1040.1—2018 進(jìn)行,拉伸速率為50 mm/min。

沖擊性能測試按照GB/T 16420—1996進(jìn)行,樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

MFR 測試:載荷為2.16 kg,溫度為230 ℃。

氧指數(shù)測試按照GB/T 2406.2—2009 進(jìn)行,樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

SEM 觀察:斷面噴金,電壓為10 k V。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTlR分析

圖1為高嶺土改性前后的FTIR 分析。

圖1 高嶺土改性前后的FTlR分析

由圖1可以看出:2 852 cm-1和2 925 cm-1處的峰分別為—CH2和—CH3的伸縮振動峰,表明LEPDM 成功包覆在高嶺土表面。

2.2 力學(xué)性能分析

圖2為樣品的拉伸強(qiáng)度。

由圖2可以看出:樣品的拉伸強(qiáng)度隨填料含量增加逐漸降低,當(dāng)填料含量相同時,PP/改性高嶺土復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于PP/高嶺土復(fù)合材料。這是因為片層狀的高嶺土顆粒尺寸較大,在PP基體中難以發(fā)揮物理交聯(lián)點的作用,而LEPDM 會改善高嶺土與PP基體的相容性,提高其在PP基體中的分散性。

圖3為樣品的彈性模量。

圖3 樣品的彈性模量

由圖3可以看出:樣品的彈性模量隨填料含量增加逐漸增大。當(dāng)填料含量相同時,PP/高嶺土復(fù)合材料的彈性模量高于PP/改性高嶺土復(fù)合材料。這是因為高嶺土為無機(jī)剛性粒子,其模量高,且可以限制PP分子鏈的運動。LEPDM 可以改善高嶺土與PP基體之間的相容性,提高高嶺土在PP基體中的分散性。

圖4為樣品的缺口沖擊強(qiáng)度。

圖4 樣品的缺口沖擊強(qiáng)度

由圖4可以看出:樣品的缺口沖擊強(qiáng)度隨填料含量增加先升高后降低。且當(dāng)填料含量相同時,PP/改性高嶺土復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度均高于PP/高嶺土復(fù)合材料。當(dāng)改性高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,PP/改性高嶺土復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大,為12.63 kJ/m2。這是因為LEPDM 可以改善高嶺土與PP 基體的相容性,提高其在PP基體中的分散性,同時,LEPDM 作為增韌劑,會適度提升PP 的沖擊韌性。但是,當(dāng)填料含量較高時,其在PP基體中容易發(fā)生團(tuán)聚,使PP基體的缺口沖擊強(qiáng)度降低。

2.3 加工性能分析

圖5為樣品的MFR。

圖5 樣品的MFR

由圖5可以看出:樣品的MFR 隨填料含量增加先升高后降低。當(dāng)填料含量相同時,PP/改性高嶺土復(fù)合材料的MFR 均高于PP/高嶺土復(fù)合材料。當(dāng)改性高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,PP/改性高嶺土 復(fù) 合 材 料 的 MFR 達(dá) 到 最 大,為1.75 g/10 min。這是因為作為增塑劑,LEPDM 減少了高嶺土對PP分子鏈運動能力的限制。

2.4 阻燃性能分析

樣品的氧指數(shù)如圖6所示。

圖6 樣品的氧指數(shù)

由圖6可以看出:樣品的氧指數(shù)隨填料含量增加呈現(xiàn)上升趨勢。當(dāng)填料含量相同時,PP/高嶺土復(fù)合材料的氧指數(shù)均略高于PP/改性高嶺土復(fù)合材料。這是因為高嶺土是一種具有良好阻燃性能的無機(jī)填料,盡管LEPDM 改善了高嶺土在PP基體中的分散性,增強(qiáng)了高嶺土與PP基體之間的界面黏結(jié),但LEPDM 屬于易燃有機(jī)材料,會降低復(fù)合材料的阻燃性能。

2.5 微觀形貌分析

圖7為樣品沖擊斷面的SEM 形貌。

由圖7(a)和圖7(b)可以看出,當(dāng)填料含量較低時,其在PP 基體中均具有良好的分散性;隨著填料含量的增加,PP 基體中逐漸形成團(tuán)聚體,如圖7(c)和圖7(d)所示;當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)40%時,PP 基體中形成很多團(tuán)聚體,如圖7(e)和圖7(f)所示。對比發(fā)現(xiàn),改性高嶺土在PP基體中的分散性比高嶺土好。

3 結(jié)論

a) 通過高速混合法,成功將LEPDM 包覆在高嶺土表面。

b) 加入高嶺土及改性高嶺土均可以改善PP的彈性模量、缺口沖擊強(qiáng)度、加工性能和阻燃性能。

c) 當(dāng)填料含量相同時,與PP/高嶺土復(fù)合材料相比,PP/改性高嶺土復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和加工性能。當(dāng)改性高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時,PP/改性高嶺土復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度和 MFR 均達(dá)到最大,分別為12.63 kJ/m2和1.75 g/10 min。

d) 當(dāng)填料含量相同時,PP/高嶺土復(fù)合材料的阻燃性能和彈性模量均優(yōu)于PP/改性高嶺土復(fù)合材料。