PP/MWNT復合材料的力學性能研究

李麗霞，任金忠，孫會娟，劉潔晶，曹建蕾

(衡水學院應用化學系，河北 衡水 053000)

聚丙烯(PP)是四大通用塑料之一，具有價格便宜、原料環保、無毒無味等優點，普遍應用于汽車、電器、日用品等領域，但其沖擊韌性差，尤其是低溫脆性突出，力學性能上的缺點極大的限制了PP在某些工程領域的應用[1-2]。為了拓寬PP的應用范圍，對其進行增強增韌改性一直是國內外的研究熱點，而材料的韌性和強度都與其動態力學性能密不可分，例如材料的高溫儲能模量與材料高溫時強度有關[3]。碳納米管從1991年發現至今[4-5]，作為一種新型材料，結構獨特，具備優異的力學性能、優良的導熱性及電學性能，被廣泛應用于聚合物的改性研究中，碳納米管有單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管 (MWNT)兩種，MWNT以其成本優勢更多的受到研究者的青睞。當前以碳納米管改性PP已取得了較多的研究成果[6-9]，但是同時對PP/ MWNT復合材料的力學性能和動態力學性能的研究較少。本文研究了MWNT對PP力學性能及其動態力學性能影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚丙烯：T30s，中國石油天然氣股份有限公司大慶煉化分公司；多壁碳納米管：內徑5～10nm，外徑10～30nm，長10～30μm，羥基含量2.48%，純度>90%，蘇州碳豐科技有限公司。

1.2 實驗設備及儀器

轉矩流變儀：XSS-300，上海科創橡塑機械設備有限公司；平板硫化機：XLB-D350×350，青島華天鑫工貿有限公司；萬能制樣機：WZY-240，承德益和檢測設備有限公司；電子萬能試樣機：WSM-20kN，長春市智能儀器設備有限公司；懸臂梁沖擊試驗機：XJU-5.5J，承德益和檢測設備有限公司；動態熱機械分析儀：DMA8000，美國美國PerkinElmer公司；掃描電子顯微鏡：QuantabFEG250，美國FEI公司。

1.3 復合材料的制備

將MWNT按質量分數0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%(編號0，1，2，3，4，5)的比例加入到 PP粒料中，充分混勻后加入到轉矩流變儀中進行混煉，溫度設為195℃，混煉時間為3min，混煉完之后在平板硫化儀上壓片，溫度為180℃，1MPa壓 1min，2MPa 壓1min，10MPa 壓8min，最后用萬能制樣機裁出測試標準試樣條。

1.4 性能測試

力學性能的測試：按照GB/T 2918-1998標準設定，拉伸強度按照GB/T 1040標準測試，拉伸速率20mm/min，溫度23℃，測試結果取5個試樣的算術平均值；懸臂梁缺口沖擊強度按照GB/T 1843的標準測試，室溫下，試樣為I型，缺口類型為A型，測試結果取5個試樣的算術平均值。將試樣條裁成20mm×7mm×2mm的測試樣條，進行動態力學性能測試，條件為：單懸臂梁模式，頻率為10Hz，振幅0.2mm，溫度范圍-110到110℃，升溫速率2℃/min；沖擊斷面經表面噴金后，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其形貌，加速電壓為8kV。

2 結果與討論

2.1 PP/MWNT復合材料的拉伸強度

表1是PP/MWNT復合材料的拉伸強度及斷裂伸長率隨MWNT含量變化的數據，從數據中可以看出，MWNT的含量從0%增加到2.5%，復合材料的拉伸強度呈先增大后減小的趨勢，1.5%時達到最大值，由純PP的28.58MPa提高到32.47MPa，但是斷裂伸長率呈下降的趨勢，說明在較低含量時，MWNT的存在可以有效提高PP的拉伸強度，含量高時，容易形成團聚，使PP力學性能下降，這與填料在基體的分布和形態有關。

表1 PP/MWNT復合材料的拉伸強度和斷裂伸長率表Tab.1 The tables of tensile strength and the fracture elongation of PP/MWNT composites

2.2 PP/MWNT復合材料的沖擊強度

圖1是PP/MWNT復合材料的沖擊強度曲線，隨著MWNT含量的增加，復合材料的沖擊強度也呈現先增加后減小的趨勢，MWNT含量為1.5%時，沖擊強度提高最多，由5.67kJ/m2提高到8.85 kJ/m2，增韌效果顯著。由變化趨勢可見在PP中加入較低含量的MWNT可以起到增韌作用，當填料的加入量繼續增大時，韌性有所下降，但都高于純PP，說明MWNT可以有效提高PP的韌性，且與拉伸強度的變化趨勢一致，達到最大值時的含量均為1.5%。由于PP是結晶性聚合物，其結晶結構及形態對力學性能有較大影響， MWNT在PP結晶過程中起到了成核劑的作用，成核初期，晶核數量多，PP鏈在MWNT晶核周圍堆砌生長，最終形成細微的晶粒，而晶粒的細化有利于PP韌性的提高[10]。

圖1 PP/MWNT復合材料的沖擊強度Fig.1 The impact strength of PP/MWNT composites

為了進一步了解MWNT在PP中的分散情況，對復合材料的沖擊斷面進行了SEM測試，如圖2所示，取MWNT含量為0.5%，1.5%和2.5%三個試樣觀察，發現MWNT的含量較低時，在PP基體中分布較均勻，說明與PP的相容性好，在材料受到外力作用時，均勻分散的MWNT可以吸收消耗一部分作用在基體上的能量，從而起到增強作用。材料受到沖擊時，MWNT的存在會引發基體產生更多的微裂紋和塑性形變，增韌效果好[11]，當MWNT的含量增大后，管狀的MWNT會在PP基體中產生纏結，形成了部分團聚，與基體的相容性變差，導致PP/MWNT復合材料的力學性能有所下降。

圖2 PP/MWNT復合材料的SEM圖片

Fig.2 SEM images of PP/MWNT composites

2.3 PP/MWNT復合材料的儲能模量

本文研究了PP/MWNT復合材料的儲能模量(E′)，如圖3所示，純PP及 MWNT/PP復合材料的儲能模量隨著溫度的升高而降低，因為溫度越高，分子鏈段的運動越劇烈，受熱材料越容易變形。同一溫度下，隨MWNT含量的增加，復合材料的E′在填料為2%時出現最大值，在圖中選取5個溫度點，-50℃、-25℃、0℃、25℃、50℃,在5個溫度下較純PP分別提高了7444MPa、7171MPa、6693MPa、5042MPa和4321MPa，低溫下提高較高溫時更明顯，這與低溫時材料中鏈段運動能力差有關，無論是哪個溫度段MWNT都可以顯著提高了PP的E′，從而起到了增加剛性的作用，其原因是MWNT具有獨特的管狀結構，模量高、強度大，與PP分子鏈產生相互作用，MWNT本身也發生了纏繞，阻礙了分子鏈的運動，使得復合材料的E′增大。

MWNT含量0-0%，1-0.5%，2-1%，3-1.5%，4-2%，5-2.5%圖3 MWNT/PP復合材料的儲能模量Fig.3 Energy storage modulus of MWNT/PP composites

3 結論

(1)MWNT的含量從0%增加到2.5%，復合材料的拉伸強度和沖擊強度均呈先增大后減小的趨勢，1.5%時兩者均達到最大，但斷裂伸長率呈下降趨勢；含量為2%時，復合材料的儲能模量達到最大。

(2)MWNT的含量較低時，在PP基體中分布均勻，與PP的相容性好，在材料受到外力拉伸作用時，均勻分散的MWNT可以吸收消耗一部分作用在基體上的能量，受到沖擊作用時，MWNT的存在會引發基體產生更多的微裂紋和塑性形變，從而起到增強增韌作用，隨著MWNT的含量增大后，在PP基體中形成了團聚，導致PP/MWNT復合材料的力學性能有所下降。

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