填料對聚丙烯力學(xué)性能的影響

雷祖碧，王 飛，王浩江，馬 玫，譚卓華，楊育農(nóng)

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州510665）

無機(jī)填料具有資源豐富、價(jià)格低廉、品種規(guī)格具有多樣性，毒性低，容易混煉加工等特點(diǎn)，在塑料工業(yè)中使用由來已久。填充改性是高分子材料工業(yè)發(fā)展中不可缺少的重要支柱，已成為高分子材料基礎(chǔ)理論研究、工藝技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中最活躍、前景最廣闊的領(lǐng)域之一[1-4]。鑒于新型微粉相比市場上廣泛應(yīng)用的碳酸鈣和滑石粉有價(jià)格優(yōu)勢，筆者從市場上分別選擇碳酸鈣和滑石粉粉體，與新型微粉在聚丙烯中進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)對比研究，分析三種無機(jī)填料對PP 力學(xué)性能的影響作用。以新型微粉替代PP 運(yùn)動地板產(chǎn)品配方中的相同份數(shù)的滑石粉，分析新型微粉應(yīng)用于PP 地板料性能的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

新型微粉（Mi），廣東利盈投資集團(tuán)，輕質(zhì)型耐磨微粉工業(yè)級，1500 目；滑石粉（Ta），工業(yè)級，1250 目，廣州市旺路達(dá)化工公司；碳酸鈣（Ca），工業(yè)級，1500 目，廣州市旺路達(dá)化工公司；PE 蠟，工業(yè)級，市售；硬脂酸鈣，工業(yè)級，市售；聚丙烯（PP）,通用級，殼牌；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，工業(yè)級。

1.2 主要儀器及設(shè)備

同向雙螺桿擠出機(jī)：TDS-35，南京諾達(dá)高聚物裝備有限公司；注塑機(jī)：BT-80V-I，廣州創(chuàng)博有限公司；拉伸試驗(yàn)機(jī)，H10KS 萬能材料拉試驗(yàn)機(jī)（電子）：英國HOUNSFIED 公司；復(fù)合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：XJF-5.5，承德市金建檢測儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：JC101 型，上海成順儀器儀表有限公司；熔體流動速率儀：XNR-400B，承德市金建檢測儀器有限公司；高速混料機(jī)：SHR-10A,張家港市輕工機(jī)械有限公司。

1.3 試驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)需用偶聯(lián)劑將碳酸鈣、滑石粉及新型微粉進(jìn)行表面改性，以增加與PP 基體的親和性[5]。將三種填料分別在高速混合機(jī)中，混合機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min，溫度80℃，攪拌20min 后，加入適量的偶聯(lián)劑后，繼續(xù)攪拌20min 即可。以碳酸鈣、滑石粉及新型微粉不同填充量與PP 配比，通過雙螺桿擠出機(jī)造粒后用注塑機(jī)注塑成型標(biāo)準(zhǔn)樣條，按國家標(biāo)準(zhǔn)檢測樣條的相關(guān)力學(xué)性能。

1.4 性能測試與表征

拉伸試驗(yàn)：按GB/T 1040-2006 進(jìn)行，拉伸速率10mm/min；懸臂梁缺口沖擊試驗(yàn)按GB/T 1843-2008 進(jìn)行；彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 9341-2008 進(jìn)行。熔融指數(shù)測試按GB/T 3682.1-2018 進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 填充聚丙烯的性能

由表1 數(shù)據(jù)可知，隨著碳酸鈣填充量的逐漸增加，PP 材料的拉伸強(qiáng)度和懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度總體上呈現(xiàn)下降的趨勢；而彎曲強(qiáng)度則先降后上升，但不是很明顯；斷裂伸長率則變化不明顯；填充量對PP 材料熔融指數(shù)的影響不大，當(dāng)填充量達(dá)到15 份后，材料的密度基本上都大于1g/cm3。

表1 填料對PP 性能的影響Table1 Effect of filler materials on the properties of PP

隨著滑石粉填充量的增加，拉伸強(qiáng)度的變化不大，彎曲強(qiáng)度逐漸變大, 缺口沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率則逐漸下降；當(dāng)填充量≤15% 時(shí)，材料的密度基本上都小于1g/cm3。

隨著新型微粉填充量的增加，除彎曲強(qiáng)度外，拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率均呈現(xiàn)下降的趨勢。新型微粉與碳酸鈣填充PP 材料相比，在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率等性能方面相當(dāng)，且在填充量較低的情況下，斷裂伸長率表現(xiàn)更佳；而與滑石粉填充PP 材料相比，在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度等方面的性能相當(dāng)，但斷裂伸長率明顯較高。

2.2 新型微粉、碳酸鈣和滑石粉對聚丙烯力學(xué)性能影響 的對比

為了更直觀地比較新型微粉與碳酸鈣和滑石粉對PP性能的影響，以下就新型微粉與碳酸鈣和滑石粉對PP 各項(xiàng)性能包括拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響通過曲線圖(圖1～圖4）進(jìn)行對比。

圖1 不同填料種類及用量下PP 的拉伸強(qiáng)度Fig.1 Tensile strength of PP with different types and amounts of filler materials

由圖1 可知，碳酸鈣和滑石粉相比，滑石粉填充PP材料的拉伸強(qiáng)度最高，且其值隨著填充量的增加變化不大；微粉和碳酸鈣填充PP 材料的相當(dāng)；當(dāng)填充量達(dá)到35 份時(shí)，除了滑石粉外，其他2 種材料的拉伸強(qiáng)度均明顯下降。

由圖2 可以看到，對于滑石粉填充PP 材料，當(dāng)填充量在5 份時(shí)，其斷裂伸長率急劇下降，之后隨著填充量的增加，緩慢下降；而碳酸鈣填充PP 材料的斷裂伸長率呈現(xiàn)先降低、再升高的變化趨勢；隨著填充量的增加，微粉填充PP 材料的斷裂伸長率總體呈逐漸降低的變化，當(dāng)填充量在15 份時(shí)，微粉填充PP 材料的斷裂伸長率最高；當(dāng)填充量達(dá)到35 份時(shí)，碳酸鈣填充PP 材料的斷裂伸長率最高，微粉填充PP 材料次之，滑石粉的最低。

圖2 不同填料種類及用量下PP 的斷裂伸長率Fig.2 Elongation at break of PP with different types and amounts of filler materials

由圖3 可知，在填充量相同的情況下，除了填充量15 份外，滑石粉填充PP 材料的缺口沖擊強(qiáng)度均明顯高于其他2 種材料；當(dāng)填充量為5 份時(shí)，3 種材料的缺口沖擊強(qiáng)度由大到小依次為滑石粉、碳酸鈣、微粉；當(dāng)填充量為15 份時(shí)，3 種材料的缺口沖擊強(qiáng)度由大到小依次為微粉、滑石粉、碳酸鈣；在其它幾個(gè)填充量下，除了滑石粉外，其他材料的缺口沖擊強(qiáng)度相差不大。

圖3 不同填料種類及用量下PP 的沖擊強(qiáng)度Fig.3 Impact strength of PP with different types and amounts of filler materials

由圖4 可以看到，隨著粉體填充量的增加，滑石粉填充PP 材料的彎曲強(qiáng)度也隨之增大，另外2 種材料的變化趨勢相似，但彎曲強(qiáng)度的變化不大；在粉體填充量相同的情況下，滑石粉填充PP 材料的彎曲強(qiáng)度明顯高于其他2 種材料。

圖4 不同填料種類及用量下PP 的彎曲強(qiáng)度Fig.4 Bending strength of PP with different types and amounts of filler materials

2.3 新型微粉對聚丙烯運(yùn)動地板料性能的影響

以相同份數(shù)的新型微粉替代我司PP 運(yùn)動地板料中的滑石粉，然后將制得的材料與我司PP 運(yùn)動地板料的性能進(jìn)行比對，表2 是新型微粉對PP 運(yùn)動地板料基本性能的影響。

由表2 數(shù)據(jù)可知，在相同的配方條件下，新型微粉填充材料的密度較小；滑石粉填充的地板料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量以及沖擊強(qiáng)度較高，對于新型微粉填充材料而言，僅在拉伸強(qiáng)度方面有所提高，總體來說添加滑石粉的地板料的性能較優(yōu)。

表2 新型微粉對PP 運(yùn)動地板料性能的影響Table 2 Effect of new micro powder on the properties of PP floor materials

3 結(jié)論

（1）滑石粉、碳酸鈣及新型微粉三種填料的使用對PP 有一定程度的補(bǔ)強(qiáng)作用，使PP 材料的彎曲強(qiáng)度增大。

（2）新型微粉和碳酸鈣填充PP 材料的拉伸強(qiáng)度相當(dāng)，滑石粉對PP 材料的拉伸強(qiáng)度影響不明顯。

（3）除填充量15 份外，滑石粉填充PP 材料的沖擊性能明顯優(yōu)于碳酸鈣、新型微粉填充PP 材料；填充量為15 份時(shí)，3 種PP 材料的缺口沖擊強(qiáng)度由大到小依次為微粉、滑石粉、碳酸鈣。

（4）新型微粉填充PP 地板料的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度較低。