螺桿轉速對PP/GF復合材料中GF與性能的影響

袁 毅，黃美娜

(重慶工商大學機械工程學院，制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

螺桿轉速對PP/GF復合材料中GF與性能的影響

袁 毅，黃美娜

(重慶工商大學機械工程學院，制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室，
廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400067)

研究了同向雙螺桿造粒機組的螺桿轉速對GF增強聚丙烯(PP/GF)復合材料中GF含量、長度以及復合材料力學性能的影響。結果表明，隨著螺桿轉速的提高，復合材料中GF的含量不斷增加，最多增加了48.2 %，而其長度卻逐漸變短；復合材料的拉伸強度、彎曲強度、耐熱性、硬度等性能也隨著螺桿轉速的增加而提高，沖擊強度卻逐漸下降；隨著馬來酸酐官能化聚丙烯的引入，GF的含量提高了1.8 %，纖維長度顯著增加且明顯改善了復合材料的各項力學性能，其中拉伸強度提高了95.1 %，彎曲強度提高了90.1 %，無缺口沖擊強度提高了110.4 %，缺口沖擊強度提高了50 %。

螺桿轉速；馬來酸酐官能化聚丙烯；GF增強聚丙烯復合材料；GF

0 前言

PP/GF復合材料具有彈性模量高、力學性能好、尺寸穩定性佳、電性能優良、成型周期短、成本低、可循環使用等許多優點，在航天航空、汽車摩托車、家具辦公、建筑建材、化學化工、包裝盛具等行業領域具有廣泛的應用，故一直以來備受人們的關注[1-7]。

PP/GF復合材料的性能是由GF增強材料、PP聚合物基體材料以及它們之間的界面性能共同決定的。纖維與樹脂基體的界面黏合性能對復合材料的綜合性能至關重要，復合材料通過界面層把樹脂和纖維連接成為整體，通過界面傳遞應力，界面剪切強度決定著整個復合材料的應用。但GF表面光滑、表面能低，與樹脂浸潤性差，表面缺少化學活性官能團，造成表面反應活性低，同時GF是極性的，而樹脂基體一般是非極性的，二者間的極性差異也較大。這些原因導致了GF與樹脂基體間的界面黏合性能不理想，使得復合材料界面剪切強度達不到理想水平，從而制約了復合材料綜合性能的發揮。為了實現復合材料優異的綜合性能，要求纖維與樹脂基體兩相界面之間具有良好的黏結性和相容性，因此對PP/GF復合材料的界面增容改性的研究也非常多。張道海等[8]用甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)改善了長GF增強PP復合材料的力學性能；Fu等[9]也用丙烯酸接枝PP改善了復合材料的性能；唐可等[10]用馬來酸酐官能化聚丙烯(PP-g-MAH)有效改善了連續GF與PP樹脂的界面結合，提升了材料的性能；Sanjay等[11]用PP-g-MAH改善了聚丙烯 - 香蕉纖維(PP-Banana)/GF復合材料的性能；李敬媛等[12]用PP-g-MAH改善了GF增強聚丙烯/聚乙烯蠟(PP/GF/PW)復合材料體系的力學性能；黎敏等[13]使用PP接枝馬來酸酐與乙烯/辛烯共聚物(PP-g-POE-MAH)顯著提高了PP/GF的拉伸、彎曲、沖擊等性能。而成型工藝條件對PP/GF復合材料中的玻纖含量[14]、復合材料的性能[15-16]等都產生了影響。

本文在固定GF加入股數不變的情況下，引入PP-g-MAH并規律性地改變同向雙螺桿造粒機組的螺桿轉速，來探討其對PP/GF復合材料中GF及性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PP，BJ730，熔體流動速率為15 g/10 min，韓國三星第一毛織株式會社；

GF，直接紗，ECT5301HP-2200，重慶國際復合材料有限公司；

PW，WE-2，上海金山星星塑料有限公司；

紫外線吸收劑，UV-9，南京華立明化工有限公司；

抗氧劑，Irganox1010，德國巴斯夫化工(中國)有限公司；

PP-g-MAH，MPP-50，接枝率為0.3 %～0.6 %，熔體流動速率為40 g/10 min，南京強韌塑膠有限責任公司。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿擠出造粒機組，SHJ-50，南京杰亞擠出裝備有限公司；

塑料注塑機，HDX50，寧波市海達塑料機械有限公司；

塑料擺錘沖擊試驗機，ZBC1400-B，美特斯工業系統(中國) 有限公司；

微機控制電子萬能試驗機，CMT4204，美特斯工業系統(中國) 有限公司；

熱變形維卡軟化點試驗機，ZWK1000，美特斯工業系統(中國) 有限公司；

箱式電阻爐，SX2-4-10，重慶工業爐股份有限公司；

工業檢測顯微鏡，MA2001，重慶光電儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，∑IGMA HD，德國Zeiss公司。

1.3 樣品制備

PP/GF復合材料的配方組分及其配比如表1所示；將PP、PW、紫外線吸收劑、抗氧劑、PP-g-MAH等按表1中的比例準確稱取物料，混合均勻后經雙螺桿擠出機加料斗進入料筒，GF經GF加入口進入料筒，與熔融的樹脂共混擠出、切粒；擠出機一區～八區的溫度分別為180、200、210、220、230、220、210、200 ℃，機頭溫度為190 ℃；喂料電機的螺桿轉速為100 r/min；雙螺桿擠出機的螺桿轉速按200、250、300 r/min規律性增加；將所得粒料在100 ℃下烘干2 h，經注塑機注塑成標準樣條，注塑機一～三段溫度分別為200、210、220 ℃，注射壓力為33 %，注射速度為26 %，注射時間為6 s，冷卻時間為15 s。

表1 PP/GF復合材料配方Tab.1 Formulas of PP/GF composites

1.4 性能測試與結構表征

GF長度分析：取相同質量的各樣品置于700 ℃的箱式電阻爐中，經2 h后用工業檢測顯微鏡觀察GF的殘留長度，放大倍數為50倍；

SEM分析：將沖擊和拉伸斷裂樣品的斷口進行真空噴金鍍膜處理后進行觀察，操作電壓為5 kV，真空，操作過程中，介質和環境溫度不超過45 ℃；

拉伸強度按GB/T 1040.2—2006制樣和測試，拉伸速率為50 mm/min；

彎曲性能按GB/T 9341—2008制樣和測試，彎曲速率為2 mm/min；

沖擊強度按GB/T 1843—2008制樣和測試，V形缺口，沖擊能為2.75 J，無缺口沖擊強度測試的沖擊能為5.5 J；

GF含量測定按GB/T 9345.1—2008取樣和測試；

密度按GB/T 1033.1—2008取樣和測試，A法，蒸餾水；

洛氏硬度按GB/T 3398.2—2008制樣和測試，R標尺；

耐熱溫度按GB/T 1634.2—2002制樣和測試，壓力為0.45 MPa。

2 結果與討論

2.1 GF含量及長度分析2.1.1 GF含量分析

表2顯示，當加入7份PP-g-MAH后，在螺桿轉速為200 r/min的情況下，2#樣品中的GF含量由1#樣品的21.8 %上升到了22.2 %，提高了1.8 %，表明隨著PP-g-MAH的加入，熔融PP基體良好地浸潤了GF，使得GF能夠更多地浸入并分散于PP基體中。當螺桿轉速繼續提高到250 r/min時，3#樣品中的GF含量提高到了22.8 %，比1#樣品提高了4.6 %；當螺桿轉速繼續提高到300 r/min時，4#樣品中的GF含量提高到了32.3 %，比1#樣品提高了48.2 %。表明隨著螺桿轉速的升高，PP/GF中GF的含量也隨著升高。

表2 螺桿轉速對PP/GF中GF含量及各項性能的影響Tab.2 Effects of screw rotation on GF contents and properties of PP/GF composites

2.1.2 GF長度分析

樣品：(a)1# (b)2# (c)3# (d)4#圖1 復合材料中GF的顯微鏡照片Fig.1 Microphotographs of GF

圖1顯示，1#樣品中的GF成細碎末狀，長度多數在0.1～0.2 mm之間；而2#樣品中GF的長度多數在0.5 mm以上，最長的達到1 mm以上；3#樣品中GF的長度多數在0.4 mm以上；4#樣品中GF的長度多數在0.3 mm以上。說明隨著PP-g-MAH的加入，使得GF浸入并分散于PP基體之中并與PP基體形成良好的界面結合，能夠更好地承受擠出機螺桿的剪切從而獲得了更長的殘留長度；但隨著螺桿轉速的不斷升高，其剪切效應也不斷增強，從而使PP/GF中的GF被螺桿剪切得更短，如2#、3#、4#樣品中GF的長度變化趨勢所示。

2.2 力學性能分析

樣品，放大倍率(300×)：(a)1# (c)2# (e)3# (g)4#樣品，放大倍率(2000×)：(b)1# (d)2# (f)3# (h)4#圖2 沖擊試樣斷口的SEM照片Fig.2 SEM of impact samples fracture surfaces

從表2數據顯示，當加入7份PP-g-MAH后，在螺桿轉速為200 r/min的情況下，2#樣品的拉伸強度達到64 MPa，比1#樣品提高了95.1 %；彎曲強度達到76.8 MPa，比1#樣品提高了90.1 %；彎曲模量達到3529 MPa，比1#樣品提高了2.6 %；同時2#樣品的無缺口沖擊強度達到34.3 kJ/m2，比1#樣品提高了110.4 %；缺口沖擊強度達到14.1 kJ/m2，比1#樣品提高了50 %。表明隨著PP-g-MAH的加入，熔融態的PP基體良好地浸潤了GF，使其與PP基體樹脂的界面結合情況得到了很好的改善，且同時使PP/GF中GF的長度得到了明顯增長(如圖1所示)，因而明顯地改善了PP/GF復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量。而隨著螺桿轉速升高到250、300 r/min時，3#樣品的拉伸強度達到67.8 MPa，比1#樣品的提高了106.7 %，4#樣品的拉伸強度達到71.5 MPa，比1#樣品提高了118.0 %；3#樣品的彎曲強度達到65.8 MPa，比1#樣品提高了62.9 %，4#樣品的彎曲強度達到94 MPa，比1#樣品提高了132.7 %；3#樣品的彎曲模量達到4265 MPa，比1#樣品提高了24.1 %，4#樣品的彎曲模量達到4996 MPa，比1#樣品提高了45.3 %；同時3#樣品的無缺口沖擊強度達到29.3 kJ/m2，比1#樣品提高了79.8 %，4#樣品的無缺口沖擊強度達到32.3 kJ/m2，比1#樣品提高了98.2 %；3#樣品的缺口沖擊強度達到13.6 kJ/m2，比1#樣品提高了44.7 %，4#樣品的缺口沖擊強度達到13.4 kJ/m2，比1#樣品提高了42.6 %。表明隨著螺桿轉速的不斷增加，雖然PP/GF復合材料中GF的長度逐漸變短(如圖1所示)，但GF的含量卻在不斷增加，且GF含量不斷增加所帶來的正效應大過了GF長度逐漸變短所帶來的負效應，進而促使了PP/GF復合材料的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量等性能也不斷得到提升，又由于剪切效應的不斷增強GF的長度不斷變短，從而導致了PP/GF復合材料的脆性不斷升高，沖擊韌性逐漸下降。

2.3 其他性能分析

表2數據顯示，1#、2#、3#、4#樣品的密度、洛氏硬度和耐熱溫度等性能也隨著螺桿轉速的增加而逐漸升高。對比GF含量的變化趨勢可以發現，隨著PP-g-MAH的引入和螺桿轉速的增加，使得PP/GF中GF的含量不斷得到增加，從而導致樣品的密度、洛氏硬度和耐熱溫度等不斷升高；GF含量增加得越多，樣品的密度、洛氏硬度和耐熱溫度等也升高得越多，如4#樣品的性能所示。

2.4 SEM分析

圖2、圖3顯示，沒有加入PP-g-MAH的PP/GF復合材料(1#樣品)的斷面上有大量的GF被拔出，且GF表面比較光滑，基本沒有樹脂基體包裹或黏結，GF與樹脂基體間有明顯的縫隙，如圖2、圖3中的(a)、(b)所示，這說明GF與基體樹脂PP的界面結合較差；添加了PP-g-MAH的PP/GF復合材料(2#、3#、4#樣品)的斷面上只有少量GF被拔出，并且被拔出的GF表面上被基體樹脂所包覆，GF與樹脂基體間結合緊密無縫隙，如圖2、圖3中的(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示。這是由于PP/GF復合材料中加入PP-g-MAH后，其極性的接枝單體與GF表面相互作用，形成化學鍵，增強了PP基體樹脂與GF間的界面結合性，從而提高了PP/GF復合材料的力學性能。

樣品(放大倍率300×)：(a)1# (c)2# (e)3# (g)4#樣品(放大倍率2000×)：(b)1# (d)2# (f)3# (h)4#圖3 拉伸試樣斷口的SEM照片Fig.3 SEM of fracture surfaces of the tensile samples

3 結論

(1)在螺桿轉速不變的情況下，PP-g-MAH的引入可以提高GF在PP/GF復合材料中的含量并顯著增加其長度，并明顯改善了PP/GF復合材料的性能，但隨著螺桿轉速的規律性增加，GF的含量也不斷增加，但其長度逐漸變短；

(2)隨著螺桿轉速的規律性增加，PP/GF復合材料的拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量、洛氏硬度和耐熱性等都不斷提高，而沖擊強度卻緩慢下降；

(3)PP-g-MAH的引入能夠明顯增加PP基體樹脂與GF間的界面結合性，從而有效提高了PP/GF復合材料的力學性能。

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全新Moldex3D R15.0提供更流暢的仿真流程加速塑料產品設計開發

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通過與LS-DYNA整合，Moldex3D R15.0能夠完整且準確模擬片狀預浸材在壓縮成型制程中，從固態到軟化塑形、再到流動充填成型，最后硬化的各個階段狀態。

Effects of Screw Rotation on Glass Fiber in Matrix andProperties of PP/GF Composites

YUAN Yi, HUANG Meina

(Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment of Education, Chongqing Key Laboratory of Manufacturing Equipment Mechanism Design and Control, College of Mechanical Engineering,Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Polypropylene (PP)/glass fiber(GF)composites were prepared by a co-rotating twin-screw extruder, and the effect of screw rotation on GF in the composites and the properties of composites was investigated. The results indicated that the content of GF increased with an increase of rotation speed and achieved a maximum value of 48.2 %. However,the fiber length tended to decrease gradually with increasing rotation speed. The tensile strength, bending strength, heat-resistant temperature and hardness of the composites were improved with the increase of rotation speed, but the impact strength showed a slow decline. The incorporation of maleic anhydride-grafted PP improved the fiber length significantly, and meanwhile, the GF content, tensile strength, bending strength, notched and no-notched impact strength increased 1.8 %,95.1 %,90.1 %,50 % and 110.4 %, respectively.

screw rotation; maleic anhydride-grafted polypropylene; polypropylene/glass fiber composite; glass fiber

2016-12-23

重慶市基礎與前沿研究計劃項目(CSTC:2015jcyja50027)；國家國際科技合作專項項目(2015DFA51330)；制造裝備機構設計與控制重慶市重點實驗室開放基金(1456032)

TQ325.1+4

B

1001-9278(2017)05-0036-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.008

聯系人，yuanyi.01@126.com