PP-g-MA對聚丙烯/納米氫氧化鎂復合材料性能的影響

許莉莉，劉生鵬

(武漢工程大學，湖北 武漢 430074)

0 引 言

聚丙烯(PP)具有可成型性好、耐蝕性高、機械性能穩(wěn)定、價廉易得的優(yōu)點，在汽車、包裝、家用電器和電器件等領域具有廣闊的應用.但是其易燃性限制了其更為廣泛的應用[1-3].氫氧化鎂作為一種綠色阻燃劑，近十年來引起了人們極大的關注.然而，氫氧化鎂的填充量質量分數(shù)需要達到60%才可以起到阻燃效果，這會嚴重惡化復合材料的加工性能和力學性能[4-7].為了保持和提高阻燃復合材料的力學性能,研究者主要從氫氧化鎂粒子的超細化、納米化，及其表面改性等方面進行大量的研究[8-11].因此，如何有效地改善氫氧化鎂與PP基體的界面粘結，提高粒子在聚合物基體中的均勻分散性，是高性能無鹵阻燃PP復合材料研究所面臨的一項重大挑戰(zhàn).PP-g-MA作為一種優(yōu)良的界面相容劑，通過與界面相的聚合物基體以及填料粒子之間的物理、化學協(xié)同作用，提高界面粘結，改善無機粒子在聚合物基體中的分散性[4，12].本文采用固相接枝方法制備了PP-g-MA，并考察了其對聚丙烯/氫氧化鎂(PP/MH)復合材料的微觀結構和力學性能等的影響.

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯粉料(PP)：T36F，熔融指數(shù)4 g/10 min，中國石化武漢鳳凰股份公司；納米氫氧化鎂(Mg(OH)2，MH)：平均粒徑70～90 nm，江蘇瑞佳化學有限公司生產；馬來酸酐(MA)，工業(yè)品，鄭州市實驗化工廠生產.

1.2 試樣制備

首先將PP粉料(2 000 g)加入固相接枝反應器內，開機攪拌，并預熱至反應溫度后于20 min內連續(xù)加入接枝單體和過氧化苯甲酰的二甲苯溶液，反應至預定時間，取樣、精制、干燥、備用.

將PP、PP-g-MA、MH按一定比例經高速混合機混合后，在雙螺桿擠出機中熔融共混、造粒，機筒溫度設定為190、210、220和210 ℃、螺桿轉速300 r/min.所得粒料經干燥后，注塑成標準啞鈴型拉伸樣條(75 mm×5 mm×2 mm)和無缺口的沖擊樣條(10 mm×4 mm).

1.3 測試與表征

1.3.1 形貌觀察 將PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的低溫脆斷的斷裂表面噴金后，采用荷蘭FEI公司的QUANTA 200型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷面形貌.

1.3.2 力學性能測試 在室溫和50 mm/min拉伸速率下，按照GB/T 1040-92標準用電子拉力機測定PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的拉伸力學性能.按照GB/T 1843-1996標準，用懸臂梁沖擊試驗機進行沖擊試驗.

1.3.3 燃燒性能測試 極限氧指數(shù)(LOI)用HC-2型極限氧指數(shù)儀(中國武漢)測定.LOI試驗樣條的尺寸為120 mm×6.5 mm×3.0 mm；實驗采用的標準是ASTM D 2863.實驗點火時間是30 s.

2 結果與討論

2.1 接枝時間對接枝率的影響

在MA質量分數(shù)為8%(以PP質量計)，引發(fā)劑過氧化苯甲酰的質量分數(shù)為10%(以MA質量計)，采用分批加入引發(fā)劑方式(1 h內全部加完)，測得接枝改性PP的接枝率與反應時間結果見圖1所示.從圖1中可知，隨著接枝時間的延長，PP-g-MA的接枝率提高，在開始的3 h內接枝率上升速度很快，隨后的1 h接枝率上升速度減慢，5 h后趨于平穩(wěn).這是由于引發(fā)劑在反應溫度下半衰期較短,在開始階段，引發(fā)劑濃度較高，反應體系自由基的濃度也較高，且界面劑對PP粉末的溶脹能力較大，單體浸入及接觸的幾率也大，從而加快了通過鏈轉移產生PP大分子自由基、繼而引發(fā)單體聚合的速率，隨著接枝的進行，引發(fā)劑耗盡，自由基濃度降低，反應速率減慢.且在反應初期，單體濃度相對較高，接枝點增多且接枝鏈增長，因而接枝率提高較快；過分延長反應時間，單體主要進行自聚，對接枝率的進一步提高意義不大，且伴有PP的降解.因此，接枝時間最佳為3.5 h.

圖1 接枝率隨接枝時間的變化

2.2 納米MH在PP基體中的分散

圖2為納米MH填充量質量分數(shù)為40%的PP/MH和PP/PP-g-MA/MH復合材料低溫斷裂的SEM圖.從圖2-(a)可知，在PP/MH納米復合材料中，MH在PP基體中很容易團聚，并呈現(xiàn)大量孔隙，表明MH粒子與PP基體的界面粘結極差.但添加質量分數(shù)10%的PP-g-MA的PP/MH納米復合材料，納米MH在PP基體中的分散較均勻，MH粒子與PP基體之間沒有孔隙，表面的輪廓模糊，其表面PP-g-MA充當了MH粒子與PP樹脂的界面過渡層，提高了兩相間的界面粘結(圖2(b)).

2.3 PP-g-MA對PP/MH復合材料無缺口沖擊強度的影響

PP-g-MA對PP/MH復合材料無缺口沖擊強度的影響見圖3.由圖3可知，PP/MH和PP/PP-g-MA/MH復合材料的無缺口沖擊強度隨納米MH填充量的增加呈下降趨勢.MH填充量為40%時，PP/MH和PP/PP-g-MA/MH復合材料的沖擊強度相比5%的填充量時分別下降了69%和64%，表明高填充量的MH使得復合材料的沖擊韌性大大下降，但PP/PP-g-MA/MH的無缺口沖擊強度比PP/MH復合材料提高了15.7%，表明PP-g-MA的加入能較好改善PP/MH復合材料的抗沖擊性能，歸因于納米MH粒子的均勻分散及其與PP基體界面粘結的提高(圖2).

圖2 PP/MH (a)和PP/PP-g-MA/MH(b)復合材料的斷面圖

圖3 PP-g-MA對PP/MH復合材料沖擊強度的影響

2.4 PP-g-MA對PP/MH復合材料拉伸強度的影響

PP-g-MA對PP/MH復合材料拉伸強度的影響見圖4.由圖4可知，PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的拉伸強度隨納米MH填充量的增大逐漸提高.與純PP相比，MH填充量質量分數(shù)為5%、10%、20%和40%時，PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的拉伸強度分別提高了6.6%、8.6%、15.6%、23.5%和7.6%、10.0%、15.9%、27.3%，表明MH無機剛性粒子的加入能顯著提高復合材料的拉伸模量.

圖4 PP-g-MA對PP/MH復合材料拉伸強度的影響

2.5 MH對PP燃燒性能的影響

盡管LOI結果不能真實地反映發(fā)生大規(guī)?；馂膶嶋H數(shù)據(jù)和本身的測試過程所固有的缺陷而引發(fā)眾多的非議，但是它們具有測試簡單、使用方便的特點，因此仍然被廣泛地用來評估聚合物材料的阻燃性能，尤其是為阻燃聚合物材料的配方設計提供重要依據(jù).從圖5中LOI的數(shù)據(jù)可以看出PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的LOI值隨MH填充量增大而提高，表明MH對PP就有一定的阻燃作用.MH填充量質量分數(shù)為40%時，PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的LOI值為23.1和22.4，起到了一定的阻燃效果.

3 結 語

a.SEM的結果表明，PP-g-MA的加入顯著提高了納米MH粒子在PP基體中均勻分散性.

b.PP/MH復合材料的無缺口沖擊強度隨MH填充量的增加呈現(xiàn)明顯下降趨勢；但相同MH填充量時，PP/PP-g-MA/MH復合材料的無缺口沖擊強度明顯大于PP/MH復合材料.

c.MH填充量為40%時，PP/PP-g-MA/MH和PP/MH復合材料的LOI值為23.1和22.4，起到了一定的阻燃效果.

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