聚丙烯-石英砂-石墨三元復合材料的制備及性能研究

李永強 許圣業 郝躍 劉迪 姜玉恒 楊俊峰

摘?要：以二氧化硅（SiO2）和石墨（Graphite）為填料，聚丙烯PP為基體，通過機械球磨混合，高溫加熱成漿料，模壓成型制備了聚丙烯-二氧化硅-石墨三元復合材料（PSG），并對復合材料的抗壓強度和表面電阻率進行了測試，研究了石英砂和石墨的含量對PSG性能的影響。研究結果表明：石墨的添加可以提高PSG的電導率，當石墨含量達到14%時，PSG的表面電阻率為1.9×108??Ω，具有抗靜電性能；隨著石英砂的添加，PSG的抗壓強度都表現為先增加后減少的變化規律，當石英砂的含量為65wt%時，PSG的抗壓強度達到最大值73?MPa，與聚丙烯-石墨復合材料相比提高了1.3倍。

關鍵詞：聚丙烯??二氧化硅??石墨??復合材料

中圖分類號：TB332

Preparation?of?Polypropylene-Quartz?Sand-Graphite?Ternary?Composites

and?Research?on?Their?Properties

LI?Yongqiang1??XU?Shengye2??HAO?Yue1??LIU?Di1??JIANG?Yuheng1??YANG?Junfeng3*

（1.?CHN?Energy?Xinjiang?Zhundong?Energy?Co.，?Ltd.，?Changji，?Xinjiang?Uygur?Autonomous?Region，?831799?China;?2.?Hebei?Shengye?Machinery?Manufacturing?Co.?，?Ltd.，?Cangzhou，?Hebei?Province，?061300?China;?3.?Institute?of?Solid?State?Physics，?Chinese?Academy?of?Sciences，?Hefei，?Anhui?Province，?230031?China）

Abstract：?With?SiO2?and?graphite?as?fillers?and?polypropylene?（PP）?as?the?matrix，?after?they?are?mixed?by?mechanical?milling，?heated?into?slurry?at?high?temperature?and?molded，?PP-SiO2-graphite?（PSG）?composites?are?prepared.?This?paper?tests?the?compressive?strength?and?surface?resistivity?of?composites，?and?studies?the?effect?of?the?content?of?quartz?sand?and?graphite?on?the?properties?of?PSG.?The?results?show?that?the?addition?of?graphite?can?improve?the?conductivity?of?PSG，?and?the?surface?resistivity?of?PSG?is?1.9×108?Ω?when?the?content?of?graphite?reaches?14%，?which?has?anti-static?properties，?and?that?the?compressive?strength?of?PSG?increases?first?and?then?decreases?with?the?addition?of?quartz?sand，?and?the?compressive?strength?of?PSG?reaches?a?maximum?value?of?73MPa?when?the?content?of?quartz?sand?is?65wt%，?which?is?almost?1.3?times?higher?than?that?of?PP-graphite?composites.

Key?Words：?Polypropylene;?SiO2;?Graphite;?Composite

金屬托輥是一種非常重要的機械傳送部件，被廣泛用于煤礦、選煤廠、電廠、鋼廠、水泥廠、化工廠、化肥廠、鹽廠、港口、制藥廠、酒廠、煙廠、糧庫、飛機場等諸多領域。在煤礦領域，由于輸煤產線服役環境苛刻，傳統金屬托輥表面腐蝕嚴重，壽命較短。聚丙烯（PP）作為僅次于聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）之后的五大通用塑料，其作用越來越廣泛，涉及包裝、電子、汽車等，具有耐化學腐蝕性、耐熱性、絕緣性和高機械強度等優良特性。然而用PP作為托輥材料存在強度低、耐磨性差、抗靜電性差問題，在實際服役過程中有爆炸的風險[1，?2]。因此，如何開發托輥用PP基復合材料已經成為煤礦開采業需要亟須解決的一個問題。

復合策略是一種改善PP綜合性能的有效方法[3，?4]。石墨和石英砂（SiO2）的價格便宜、性能優越，被廣泛應用在塑料和復合材料等諸多行業中，用作添加劑來提高聚合物基復合材料的綜合性能。SiO2和聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚氨脂復合，可以有效提高基體的強度[5-7]。阮文紅等人發現二氧化硅添加后聚丙烯的抗拉強度提高了14%[8]。石墨和聚丙烯、聚酰亞胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等復合可以有效提高它們的導電性。孟維曉等人發現通過和球磨石墨復合可以使得聚丙烯的抗靜電性明顯增加。當球磨石墨含量達到10%時，復合材料的表面電阻率為3ⅹ1011??Ω，達到了靜電逸散材料的水平[9]。李會新等人發現通過膨脹石墨混合，可以有效提高聚丙烯的電導率，當石墨含量為14%時，電導率達到10-6??s/cm?[10]。此外，SiC[11]、BN、Al2O3[12]、炭黑[13]、碳納米管[14]等都經常被用作添料來提高聚合物的綜合性能。

因此，本文利用石英砂和二氧化硅作為添加劑來提高聚丙烯的機械性能和抗靜電性能，并重點研究石英砂和石墨的含量對聚丙烯復合材料性能的改善規律機理。

1??實驗部分

1.1??主要原料

聚丙烯（熔融指數11.45?g/10min，ASTMD569-90），石英砂（100?mesh），石墨（600?mesh）。

1.2??主要設備及儀器

臥式行星球磨機，加熱爐，液壓機，萬能電子拉力機，掃描電子顯微鏡，ZC-36?型高阻儀，DT9208?型數字萬用表和?WYK-303?型直流穩壓電源。

1.3??PP-SiO2-Graphite（PSG）復合材料的制備

將聚丙烯母粒、二氧化硅粉體、石墨粉體按不同的質量比（見表1）稱取后，分別放入不銹鋼球磨罐，以轉速340?rpm球磨4?h；待混合均勻后，將球磨罐放入加熱爐中，在210??oC加熱1.5?h，待PP全部融化成黏稠膠狀物后，倒入不銹鋼模具，在油壓機下以25?MPa的壓強壓制成型，保壓10?min，去除壓力，脫模，獲得不同規格的坯體，用來進行各種性能的測試（見圖1）。

1.4??性能測試與表征

使用萬能試驗機對?PP／Graphite／SiO2復合材料的試件進行準靜態壓縮實驗，壓縮速率為?3?mm／min，對應應變率為?10-2?s-1；依據ASTM?D790–2003?標準進行彎曲性能測試，試驗速度為2?mm/min。為考察實驗結果的一致性，對每類試件進行3次重復性實驗，并記錄壓縮過程中試件應力-應變數據。對不同配方的試樣表面進行噴金處理后，利用掃描電鏡觀察表面形貌。電導率測試采用ZC-36?型高阻儀，當電導率小于10-8?S/cm?時，采用高阻計進行測試；電導率大于?10-8?S/cm?時，采用四電極法用?DT9208?型數字萬用表和?WYK-303?型直流穩壓電源測試。

2??結果與討論

2.1??抗靜電性能

經球磨、熔融、液壓成型制得石墨/聚丙烯復合材料，其導電性能如圖2所示。可以看出，純PP的表面電阻率約1012?Ω，隨著石墨含量的增加，復合材料的表面電阻率迅速減小；當石墨含量大于8%時，電阻率減小速度變緩并逐漸趨于穩定；當石墨含量達到14%時，復合材料的表面電阻率為?1.9×108Ω，已經達到了靜電逸散材料的水平，即復合材料具有抗靜電的性能。因此，為了保證材料的抗靜電性能，在后續的實驗中，石墨的含量固定在14%，通過增加石英砂的含量來提高復合材料的力學性能。

2.2??抗壓強度

不同石英砂含量的PP／SiO2／Graphite試樣在準靜態壓縮下的應力-應變曲線和相應的抗壓強度變化如圖3、圖4所示，可以看出當石英砂含量為26%時，試樣的抗壓強度為31?MPa，試件在受壓過程中存在彈性變形和塑性變形，不存在明顯的應變硬化現象。當石英砂含量進一步增加時，塑性變形明顯減弱，抗壓強度逐漸增加；當石英砂含量為65%時，抗壓強度增加到最大值73?GPa；石英砂含量進一步增加到75%時，抗壓強度下降到67GPa，這是由于聚丙烯含量太少，導致石英砂之間的結合強度減弱。

3?結論

該文利用球磨-熔化-模壓結合的方法制備了聚丙烯-二氧化硅-石墨三元復合材料（PSG），研究了石墨和石英砂的含量對PSG抗靜電性能和抗壓強度的影響。研究結果表明：（1）當石墨的含量為14wt%時，復合材料的表面電阻率降低到1.9×108Ω，顯示了優異的抗靜電性能；（2）石英砂的添加會有效提高PSG的抗壓強度，當石英砂的含量為65wt%時，PSG的抗壓強度達到最大值73?MPa，為聚丙烯-石墨復合材料抗壓強度的2.3倍。這些結果表明石墨和石英砂二元添加劑的結合可以有效提高PSG的抗靜電性能和機械強度，為聚丙烯在復合托輥的應用提供了實驗基礎。

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