聚丙烯增強改性的研究概況

王 丹，李麗華, 張金生, 梁 路

（遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部， 遼寧 撫順 113001）

聚丙烯增強改性的研究概況

王 丹，李麗華, 張金生, 梁 路

（遼寧石油化工大學 化學化工與環(huán)境學部， 遼寧 撫順 113001）

聚丙烯（PP）增強改性的增強劑主要是纖維（玻璃纖維、碳纖維、天然纖維、芳綸纖維等）和無機填料（滑石粉、碳酸鈣等）。對聚丙烯（PP）增強改性的機理，優(yōu)缺點及應(yīng)用進行了研究和探討，并對其發(fā)展趨勢進行了闡述。

增強；復合材料；聚丙烯

聚丙烯（Polypropylene，縮寫：PP）化學性能強、絕緣性好、良好的力學性能、耐熱性強等優(yōu)點。此外，PP的原材料來源豐富，價格適中，且隨著科學技術(shù)的發(fā)展，高效催化劑不斷涌現(xiàn)，生產(chǎn)化工工藝不斷更新，日趨簡單化。被廣泛應(yīng)用于家用電器、高透材料、建筑、化工等行業(yè)。

但是，PP的耐寒性差，易老化、易燃、韌性差、表面活性低[1]、模塑收縮率大、缺口沖擊強度小，脆性大等缺點，對 PP的推廣和應(yīng)用產(chǎn)生了極大地阻礙作用。從上世紀70年代中期，國內(nèi)外就對PP改性進行了大量的研究，特別是在提高PP的缺口沖擊強度和低溫韌性方面，目前已成為國內(nèi)外研究的重點和熱點。為此，對 PP進行改性已成為發(fā)展趨勢，PP改性主要包括化學改性和物理改性，本文主要介紹了增強改性，其增強劑主要包括纖維和無機填料。

1 纖維增強劑

纖維增強PP能夠在保留原有特性的基礎(chǔ)上，通過添加纖維獲得PP本不具備的性能，同時，纖維增強PP操作簡便、價格低廉等優(yōu)點，已成為一種優(yōu)質(zhì)的增強劑[2]。纖維增強劑主要包括玻璃纖維、碳纖維、石棉纖維、天然纖維等。不同纖維對增強聚丙烯的工藝和性能影響均不同。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維增強聚丙烯（GFRPP）提高了原有PP的機械性能、熱變形溫度、收縮率小、硬度等[3]，使應(yīng)用范圍得到了擴大。玻璃纖維增強 PP主要包括化學方法和物理方法，物理方法是 PP與玻璃纖維通過機械粘合力最終達到補強效果，化學方法主要是 PP與玻璃纖維通過機械和化學結(jié)合形成穩(wěn)定的復合材料[4]，效果明顯。在玻璃纖維中增加二氧化硅、氧化鈣等可提高其耐堿性，加入三氧化二鋁、氧化銻等可提高其耐水[5]。郭范波等[6]探索出C-glass、AR-glass等能有效改善玻璃纖維性能，包括耐酸堿性等。崔風波等[7]對GFRPP進行了研究，表明玻璃纖維含量相同時，長玻璃纖維增強 PP比短玻璃纖維更有利于 PP彎曲強度和熱變形溫度的提高。

1.2 碳纖維

碳纖維是含碳量在95%以上，且具有高強度和高模量的纖維，是玻璃纖維楊氏模量的3倍。炭纖維增強聚丙烯（CFRPP）能夠有效地提高 PP的導電性、機械性能、耐沸水性等。倪燕等[8]對短碳纖維增強PP進項了研究，表明經(jīng)表面處理的CFRPP其拉伸強度、缺口沖擊強度、負荷熱變形溫度有所提高[9]。

1.3 天然纖維

常見的天然纖維包括植物纖維（棉、麻）、動物纖維（毛、絲）和礦物纖維（石棉等）。天然纖維具有可降解、價格低廉、加工設(shè)備簡單等優(yōu)點，從而在增強聚丙烯材料中得到應(yīng)用[9]。由于天然纖維增強聚丙烯的力學性能偏低，不能承受較大載荷的結(jié)構(gòu)體，特別是在汽車工業(yè)中天然增強 PP復合材料主要制作一些承受載荷小、人體經(jīng)常接觸的構(gòu)件[10]。

天然纖維增強 PP復合材料的性能主要取決于天然纖維、PP和界面性能。天然纖維增強PP方法主要包括化學方法和物理方法。化學方法是指改變纖維的結(jié)構(gòu)和表面性能，同時纖維的化學組成也發(fā)生變化。物理方法是指改變纖維的結(jié)構(gòu)和表面性能，但是纖維的化學組成不變。韓海山等[11]制備了劍麻纖維增強 PP復合材料，結(jié)果表明，復合材料的孔隙率會隨著纖維含量的增加先增大后減小，空隙率最大時纖維質(zhì)量分數(shù)為30%，添加MPP（馬來酸酐接枝聚丙烯乳液）增溶劑時，復合材料中的纖維含量越大，力學性能就越大。劉晚燁等[12]對黃麻纖維氈增強 PP復合材料的理學性能進行了研究，結(jié)果表明，復合材料表面涂油MPP乳液后，力學性能得到更大的改善。

1.4 芳綸纖維

芳綸纖維具有抗沖擊性能好、耐高溫、模量性能較高等優(yōu)點，成為復合材料研究領(lǐng)域的熱點話題[13]。用于增強聚丙烯的芳綸纖維包括短纖維和漿粕。由于芳綸纖維表面光滑，活性基團少，與基體的界面黏結(jié)性不好，所以對芳綸纖維表面驚醒改性是有必要的。表面改性芳綸纖維的方法很多，不同方法均可以改善復合材料的性能。陳小隨等[14]研究表明，磷酸酯偶聯(lián)劑改性的芳綸纖維表面與 PP的黏結(jié)性有明顯提高，當偶聯(lián)劑含量達到20%時復合材料的力學性能有明顯提高，主要表現(xiàn)在芳綸增強 PP復合材料的沖擊強度最大值為37.6 kJ/m2，拉伸強度最大為67.8 MPa。唐欣磊等[15]對長芳綸纖維增強抗沖共聚聚丙烯進行的研究，研究結(jié)果表明復合材料的儲能模量、抗性變能力都有所增強。

2 無機填料

目前，無機填料是成本最低，應(yīng)用最廣的 PP增強材料。同時，無機填料增強 PP也是最簡單的方法。無機填料增強PP的復合材料能夠有效地提高材料的剛度、硬度、熱變形溫度等，同時能夠降低生產(chǎn)成本。常見的無機填料主要有滑石粉、碳酸鈣、云母、納米無機填料等。

2.1 滑石粉

滑石粉的特征主要表現(xiàn)在薄片構(gòu)型的片狀結(jié)構(gòu)，滑石粉增強PP復合材料沖擊強度、表面硬度、熱變形溫度有明顯地提高，同時提高PP的結(jié)晶性、改善其透明度。滑石粉增強聚丙烯復合材料常被廣泛應(yīng)用于風扇罩、蓄電池防熱板、流體泵件、注塑成型各種儀表殼體和電氣元件等。滑石粉含有親水性基團，而 PP為疏水性，兩者相容性差，因此對滑石粉的表面進行改性是有必要的。馬長寶[16]研究表明，滑石粉增強 PP復合材料中化石粉含量在30%～40%時，拉伸強度和沖擊強度最大，經(jīng)混合偶聯(lián)劑處理后的滑石粉增強 PP復合材料的力學性能遠遠優(yōu)于單一偶聯(lián)劑的處理的復合材料。李振國[17]研究表明滑石粉的附聚作用對其增強 PP強度起到制約的作用。

2.2 碳酸鈣

碳酸鈣價格低廉、霧度、無刺激、易于著色、改進PP色澤及染色性、對加工機械無磨損[18]。碳酸鈣增強 PP的復合材料的光亮度大幅度下降，為了避免對產(chǎn)品外觀的影響，通常采用表面光亮劑對碳酸鈣進行表面改性，可使復合材料的表面光度的到改善。張貴云等[19]研究表明當碳酸鈣（1%鈦酸酯偶聯(lián)劑表面處理）質(zhì)量分數(shù)為20%時，復合材料的拉伸、彎曲強度均得到提高，1份表面光亮劑能增加復合材料的表面光澤度。張妍然等[20]對碳酸鈣晶須增強PP進行研究，結(jié)果表明，NDZ-102鈦酸酯偶聯(lián)劑用量為1.25%，碳酸鈣晶須用量為10%時，復合材料的力學性能有明顯改善，拉伸應(yīng)力為 20.1 MPa，彎曲應(yīng)力為37.4 MPa。

2.3 云母

云母為鋁鉀硅酸鹽礦物，我國資源豐富，但也有人工合成。云母有優(yōu)良電性能、抗震、隔音等性能。云母主要應(yīng)用于電器設(shè)備。云母增強聚丙烯的物理、力學、加工流動性均較 PP有所改善。朱靜安等[21]研究表明云母增強 PP復合材料的模量、硬度、熔體粘度均有所改善，但是強度略有下降，在云母質(zhì)量分數(shù)為20%時綜合性能良好。蔡維真等[22]研究表明，有機長鏈的處理劑能夠降低熔體粘度，但力學性能尚未提高，添加馬來酸酐接枝 PP與硅烷偶聯(lián)劑配合能夠提高抗張強杜和斷裂伸長率。

2.4 納米填料

納米材料在結(jié)構(gòu)、性能的特殊性，受到全國各地工程材料研究工作者青睞。用納米粒子改性聚丙烯的方法有兩種：（1）直接分散法，即直接將納米粒子與熔融樹脂共混。（2）在位填充法，即將納米粒子溶于樹脂中，形成分散膠體（穩(wěn)定）后，再進行聚合。與PP相比，納米PP復合材料的低溫沖擊性能、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。吳建國等[23,24]研究了PP/納米碳酸鈣復合材料的力學性能，結(jié)果表明，次此復合材料具有脆-韌轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，且是一種強而韌的材料。

3 展 望

PP具有良好的力學、化學性能，且價格低廉、應(yīng)用廣泛，但是耐寒性差、低溫易脆裂等缺點，限制了其發(fā)展和應(yīng)用，因此必須對PP進行增強改性，才能實現(xiàn)通用、大眾化、功能化。隨著增溶劑、偶聯(lián)劑、表面處理技術(shù)的不斷更新發(fā)展，PP增強改性已成為發(fā)展趨勢。納米粒子能夠很好地承受外應(yīng)力，消耗大量的沖擊能，以此達到增強增韌的效果，納米技術(shù)已成為PP增強改性的全新途徑。

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Study on Reinforcing Modification of Polypropylene

WANG Dan，LI Li-hua，ZHANG Jin-sheng，LIANG Lu
（School of Petroleum & Chemical Technology，Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The main strengthening agents for enhancing modification of polypropylene include fiber(glass fiber, carbon fiber, natural fiber, aramid fiber and so on) and inorganic fillers(talc,calcium carbonate and so on).In this article, mechanization, merits and faults, application of enhancing modification of polypropylene were introduced and discussed, and the development trend was prospected.

Enhancing; Composite; Polyporylene

TQ 325

A

1671-0460（2014）11-2403-04

2014-4-18

王丹（1989-），女，遼寧盤錦人，2013年畢業(yè)于遼寧石油化工大學應(yīng)用化學專業(yè)，研究方向：油田化學。E-mail：qqlianglu@126.com。

李麗華（1964-），女，教授，博士，主要從事微波化學及新型材料在石油化工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究。E-mail：llh72@163.com。