層狀蒙脫土／聚丙烯納米復(fù)合自增強(qiáng)材料

李 力，章明秋，容敏智，阮文紅

（中山大學(xué)聚合物復(fù)合材料及功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275）

層狀蒙脫土／聚丙烯納米復(fù)合自增強(qiáng)材料

李 力，章明秋，容敏智，阮文紅

（中山大學(xué)聚合物復(fù)合材料及功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275）

采用熔融插層法來制備了聚丙烯／有機(jī)蒙脫土納米復(fù)合材料，研究蒙脫土的加入量對(duì)聚丙烯的增強(qiáng)增韌作用，同時(shí)并引入一套新的自增強(qiáng)的工藝，研究這個(gè)工藝下蒙脫土的加入對(duì)聚丙烯材料的作用.經(jīng)過自增強(qiáng)工藝的聚丙烯／有機(jī)蒙脫土納米復(fù)合材料的拉伸性能都比原來的材料增強(qiáng)3.2～4.6倍.

有機(jī)蒙脫土；聚丙烯；自增強(qiáng)；力學(xué)性能

聚丙烯是一種廣泛使用的通用塑料，具有來源豐富、價(jià)格便宜、無毒、無味，密度小、流動(dòng)性良好、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，它的強(qiáng)度、剛度、硬度耐熱性均優(yōu)于低壓聚乙烯，可在100度左右使用.具有良好的電性能和高頻絕緣性不受濕度影響，適于制作一般機(jī)械零件，耐腐蝕零件和絕緣零件，常見的酸、堿有機(jī)溶劑對(duì)它幾乎不起作用，可用于食具.但是聚丙烯也存在著低溫時(shí)變脆、不耐磨、易老化、制品收縮率大等缺點(diǎn)，并且因?yàn)榫郾┦欠菢O性的聚合物而導(dǎo)致其與大多數(shù)的聚合物存在相容性較差的問題.

具有層狀機(jī)構(gòu)的蒙脫土是制備納米復(fù)合材料的理想的天然產(chǎn)物，特別是蒙脫土通過有機(jī)化處理改性后，它表面的呈現(xiàn)良好的親油性，從而與聚合物的相容性明顯地提高.人們發(fā)現(xiàn)有機(jī)蒙脫土的納米片層可以被層分離而分散在高聚物的基體當(dāng)中，又或者是聚合物可以以插層的方式插入到層與層之間.根據(jù)工藝的不同，聚丙烯／蒙脫土納米復(fù)合材料的制備可以分為熔融插層、溶液插層和單體原位溶液插層.本文主要用的是熔融插層的方法，也就是在聚合物熔融的請(qǐng)況下，高分子鏈插入到有機(jī)蒙脫土的納米層之間，使其片層分離，分散于聚合物基體當(dāng)中，形成性能良好的納米復(fù)合材料.這種方法基本不用什么溶劑，工藝方法簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境友好，有良好的應(yīng)用前景［1］.

所謂的自增強(qiáng)復(fù)合材料是指兩種化學(xué)組成相同，物理性質(zhì)不同的材料復(fù)合在一起的材料.今年來，自增強(qiáng)技術(shù)有了很快的發(fā)展，有的通過固體形變，如超級(jí)拉伸、固相擠出、口模拉伸，有的通過熔體形變，如熔體擠出、熔體注射.本文在參照自增強(qiáng)技術(shù)，利用其固體形變中的相關(guān)技術(shù)，對(duì)聚丙烯／蒙脫土納米復(fù)合材料體系進(jìn)行研究［2］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PP（H1500）熔融指數(shù)1.2 g／min，韓國(guó)現(xiàn)代石油化學(xué)公司；OMMT，佛山市南方化工有限公司.

1.2 復(fù)合材料的制備

將分別配好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，1%，2%，5%的有機(jī)蒙脫土與PP的共混體系用哈克轉(zhuǎn)矩流變儀在溫度為180℃、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r／min的條件下均勻混合10 min，然后冷卻12 h，破碎即可.

1.3 樣品的制備

用5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PP／OMMT納米復(fù)合材料（OMMT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.5%，1%，2%，5%）在立式注塑機(jī)當(dāng)中做成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸樣條.

分別稱取一定質(zhì)量以上5種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PP／OMMT納米復(fù)合材料，在180℃下壓片處理，制成厚度約為1 mm的片條.裁成一定的規(guī)格后用Houndsfield THE 10K－S力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)在150℃和定力下進(jìn)行熱拉伸，制成拉伸比為1／12的樣條.

1.4 機(jī)械性能的測(cè)試

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／T 16421－1996，分別用標(biāo)準(zhǔn)樣條和拉伸樣條在SANS CMT6103微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)下作拉伸測(cè)試.試驗(yàn)參數(shù)：位移控制50 mm／min、目標(biāo)位移控制500.0 mm；試驗(yàn)結(jié)束條件為定力900 N、定變形10 mm、定力衰減幅度90%.

2 結(jié)果與討論

標(biāo)準(zhǔn)樣條拉伸性能測(cè)試結(jié)果列于表1.標(biāo)準(zhǔn)樣條拉伸性能隨OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系曲線如圖1所示.從圖1可以看到，當(dāng)有機(jī)蒙脫土為0.5%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和最大力分別為40.59 MPa和289.65 N，比純PP都有所提高，這是由于蒙脫土在共混的過程中受到剪切力的影響，層狀結(jié)構(gòu)受到破壞，使其剝離而均勻分散到聚丙烯基體當(dāng)中，由于蒙脫土的片層的長(zhǎng)徑很大，那么對(duì)聚丙烯就起到如纖維增強(qiáng)的效果，從而增強(qiáng)其力學(xué)性能［3］.但由于本研究中用的是純的PP，它與有機(jī)蒙脫土的相容性不是非常良好，因此增加的幅度不大.當(dāng)蒙脫土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，其拉伸性能回落的原因是因?yàn)楦吆康拿擅撏猎谂c聚丙烯的共混過程中容易發(fā)生脫粘，而且納米的蒙脫土?xí)l(fā)生團(tuán)聚，在復(fù)合材料中形成缺陷而使其性能下降.彈性模量是用來表示材料剛度的一個(gè)重要物理量，少量的蒙脫土的加入會(huì)使聚丙烯基體的分子鏈趨向柔順，因此會(huì)有所降低，但是隨著蒙脫土的加入，復(fù)合材料中的蒙脫土片層分布的增加，就會(huì)增大復(fù)合材料的剛性.

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣條拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖1 標(biāo)準(zhǔn)樣條拉伸性能與OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

熱拉伸后樣條的拉伸性能測(cè)試結(jié)果列于表2.熱拉伸后樣條的拉伸性能隨OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系曲線如圖2所示.從圖2可看出，在蒙脫土為1%時(shí)，拉伸強(qiáng)度為203.64 MPa，比純PP提高了11.2%，最大力也有所提升，此處也是由于有機(jī)蒙脫土的增強(qiáng)作用.對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)樣品的數(shù)據(jù)，我們看到，拉伸強(qiáng)度增大3.2～4.6倍，彈性模量增大2倍以上，最大力也提高了50%以上，證明了這個(gè)自增強(qiáng)工藝對(duì)復(fù)合材料有比較大的增益，這主要原因在于，在我們的熱拉伸過程中，無論是復(fù)合材料中的基體的高分子鏈，還是有機(jī)蒙脫土粒子，都會(huì)在一定的應(yīng)力作用下在一定方向上進(jìn)行取向，在應(yīng)力的方向上，就會(huì)有很高的力學(xué)性能，特別是納米粒子，由于取向，它的分布會(huì)更加均勻，片層也會(huì)呈現(xiàn)一定的取向，所以熱拉伸的拉伸強(qiáng)度的最高值會(huì)稍微向高含量移動(dòng).

表2 熱拉伸后樣條的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖2 熱拉伸后樣條的拉伸性能與OMMT質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

采用熔融插層法制備聚丙烯／蒙脫土納米復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)有一定程度的提升.自增強(qiáng)技術(shù)的引入，使聚丙烯／有機(jī)蒙脫土納米復(fù)合材料的力學(xué)性能對(duì)比未采用自增強(qiáng)技術(shù)的材料大大增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度都提高到原來的320%～460%，彈性模量提高200%以上，最大力增大50%.

［1］宋軍.聚丙烯／蒙脫土納米復(fù)合材料的制備和性能研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2005.

［2］申開智，胡文江，向子上，等.聚丙烯在單向拉伸力場(chǎng)中形成雙向自增強(qiáng)片材及其機(jī)構(gòu)與性能的研究［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2002（18）：145－146.

［3］史鐵鈞，吳德峰，王華林，等.聚丙烯／蒙脫土納米復(fù)合材料制備、表征及力學(xué)性能［J］.化工學(xué)報(bào)，2004，55（2）：259－263.

Layered montmorillonite／polypropylene nanocomposite self－reinforced materials

LI Li，ZHANG Ming－qiu，RONG Min－zhi，RUAN Wen－h(huán)ong
（Materials Science institute，Zhongshan University，Guangzhou 510275，China）

In this research，PP／organic montmorillonite composites was prepared by melt intercalation method using a mixer，it is used to study how the montmorillonite addition affects on the strengthening and toughening roles of the polypropylene.We also use a new self－enhancement technology to study the effects of adding organic montmorillonite in PP／organic montmorillonite composites.We found that the tensile properties of the PP／organic montmorillonite composites increased 3.2－4.6 times than the original composites after the process of self－reforcing.

organic montmorillonite；polypropylene；self－reforced；tensile properties

TQ330.38

A

1673－9981（2010）04－0655－04

2010－10－20

李力（1986—）男，廣東佛山人，博士.