PP／云母／POE－g－MAH復合材料的力學性能及抗老化性能研究

伍玉嬌 龍紹檑 吳珊

（1.貴州理工學院材料與冶金工程學院，貴州 貴陽，550003；2.貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽，550025）

在聚合物材料中添加非金屬礦物填料，可以降低材料成本，提高材料力學性能、尺寸穩(wěn)定性，并賦予材料其他特殊的物理化學性能，如抗壓、抗老化、耐腐蝕等。云母呈片層狀，具有不導熱、抗酸、抗堿和耐壓等優(yōu)點，是典型的二維增強材料，且價格低廉，早在20世紀70年代，被廣泛用于各種塑料的改性［1］。當前，關于云母增強增韌聚丙烯（PP）的研究很多，并取得了相應的成果，如王磊等［2］研究包覆天然云母粉填充PP復合材料的界面和性能，發(fā)現(xiàn)填充包覆云母質(zhì)量分數(shù)為40%時，材料的屈服強度、彈性模量和沖擊強度明顯提高。但關于PP／云母復合材料的抗老化性能研究很少。下面利用高含量云母、馬來酸酐接枝乙烯－辛烯共聚物（POE－g－MAH）協(xié)同改性 PP，在不降低復合材料力學性能的前提下，通過風冷氙燈試驗箱進一步探索PP／云母／POE－g－MAH復合材料抗老化性能。

1 試驗部分

1.1 主要原料

PP，T30S，蘭州石化公司；白云母，15μm，河北省石家莊靈壽縣華潤礦物粉體加工廠。馬來酸酐接枝PP（PP－g－MAH），CMG9801，接枝率為1.0%；POE－g－MAH，CMG9805，接枝率為0.8%，均為上海日之升新技術發(fā)展有限公司。

1.2 PP／云母／POE－g－MAH復合材料的制備

將白云母放入干燥箱內(nèi)100℃下干燥6h，再按表1中的配方（含量為質(zhì)量分數(shù)）將干燥好的云母，PP，POE－g－MAH，PP－g－MAH 均勻混合；將混合物裝入雙螺桿擠出機擠出造粒，切粒機轉(zhuǎn)速為250r／min左右；將上述粒料放入干燥箱80 ℃下干燥8h；將烘干后的粒料注射成標準樣條，然后將標準樣條放置在恒溫箱里24h以上，以測試人工老化及性能。

表1 PP／云母復合材料的配方 %

1.3 人工加速老化試驗

按照GB／T 16422.2—1999塑料氙燈光源曝露試驗標準，采用SN－900風冷氙燈試驗箱進行人工加速老化模擬試驗。光源為3×2.0kW氙燈燈管連續(xù)光照，平均輻射強度為550W／m2；溫度為（65±5）℃；光源－試樣距離為100～300mm；老化時間為30d，每6d取樣觀察測試。

1.4 性能測試

利用WdW－10C微機控制電子萬能試驗機按GB／T 1845—1996測試拉伸性能；利用 ZBC－4B液晶式擺錘沖擊試驗機按GB／T 1845—1996測試沖擊性能；利用KYKY－2800B掃描電子顯微鏡（SEM）觀察老化前后樣條表面微裂紋。

2 結果與討論

2.1 PP／云母／POE－g－MAH復合材料力學性能

表2是不同配方PP／云母復合材料的力學性能。

表2 不同配方PP／云母復合材料的力學性能

圖1是PP／云母復合材料的SEM照片。

圖1 PP／云母復合材料的SEM照片

從表2和圖1可以看出，如2＃配方所示，當云母含量較低時，復合材料的拉伸強度和沖擊強度較純PP的均有所提高，但增幅不大；3＃配方復合材料的拉伸強度增加到了40.42MPa，而沖擊強度變化不大，9＃配方復合材料的拉伸強度最大，提高了30.2%，而沖擊強度卻降到了3.69kJ／m2。表明PP－g－MAH改善了兩相的相容性。圖1中PP／云母復合材料的SEM照片也證明了這一點，未加PP－g－MAH時，PP和云母界面清晰可見，加入質(zhì)量分數(shù)20%PP－g－MAH時，界面變得模糊。

從表2還可以看出，如3＃，4＃，5＃所示，隨著POE－g－MAH含量的增加，復合材料的沖擊強度迅速增加，但拉伸強度卻快速降至純PP以下；如6＃和8＃所示，復合材料拉伸強度保持在35 MPa以上，而沖擊強度高達8kJ／m2左右，這充分體現(xiàn)了POE－g－MAH的增韌效果；7＃配方復合材料的拉伸強度達到40.62MPa，雖然沖擊強度低于8kJ／m2，但仍高于純PP近49%。

通過力學性能的比較，綜合性能良好的配方為6＃和7＃。但為了比較云母、POE－g－MAH對老化性能的影響，選取1＃，3＃，6＃，7＃和9＃做后續(xù)老化試驗。

2.2 PP／云母／POE－g－MAH復合材料抗老化性能

2.2.1 復合材料力學性能隨老化時間變化

圖2是PP／云母復合材料力學性能及其保持率隨老化時間的變化。

圖2 PP／云母復合材料力學性能隨老化時間變化

從圖2（a），（b）可以看出，純PP的拉伸強度先增后降，6～12d時，出現(xiàn)第一次下降，但其拉伸強度仍能保持在30MPa以上，12～24d基本沒有變化，保持率在90%左右；24d后，PP的拉伸強度出現(xiàn)第二次下降，此時材料已基本失效；與純PP相比，PP／云母復合材料的拉伸強度出現(xiàn)增－降－增－降的趨勢，保持率都在95%以上。

從圖2（c），（d）可知，純PP的沖擊強度處于明顯的下降趨勢，特別在6～18d時，沖擊強度下降很快，18d后純PP的沖擊強度保持率僅為原來的50%，此時材料已基本老化，失去承載能力；與純PP相比，含有云母的復合材料的沖擊強度也發(fā)生較明顯的變化，出現(xiàn)了先增后降的趨勢，但沖擊強度保持率仍達到89%以上。

從圖2（c），（d）還可以看出，如7＃所示，當POE－g－MAH質(zhì)量分數(shù)為5%時，復合材料的沖擊性能在18d達到最大值，隨后開始降低；當POE－g－MAH含量較高時，復合材料沖擊強度12d時達到最大值，隨后快速降低，如6＃所示。這表明一定量的POE－g－MAH對復合材料的抗老化性能有促進作用，即POE－g－MAH質(zhì)量分數(shù)為5%時，其沖擊強度最佳。而POE－g－MAH含量過少或過多時，和7＃相比，復合材料的沖擊強度提前達到最大值，但仍有較高的保持率。

2.2.2 PP／云母／POE－g－MAH 復合材料表征

對PP／云母復合材料未老化和老化12d試樣表面特征對比分析發(fā)現(xiàn)，復合材料氙燈光照12d后，表面都出現(xiàn)了明顯的變色：純PP老化后表面變黃，出現(xiàn)粉化現(xiàn)象；且隨著老化時間的推移，PP明顯變脆，并出現(xiàn)用手輕折立即斷成3節(jié)的現(xiàn)象；對于PP／云母復合材料，老化12d后，其試樣表面變成灰白色，出現(xiàn)很明顯的老化特征，但粉末狀較純PP少，同時試樣變得硬而韌，這與前面的力學性能相對應。

2.2.3 PP／云母／POE－g－MAH復合材料SEM分析

圖3是1＃和3＃試樣的PP／云母復合材料老化前后表面裂紋的SEM照片。

圖3 PP復合材料不同老化時間的表面裂紋SEM分析

從圖3可以看出，隨著老化時間的推移，PP和PP／云母復合材料都出現(xiàn)了不同程度的龜裂。

比較純PP和PP／云母復合材料的表面裂紋特征，純PP表面隨著老化時間的增加吸收紫外波的能量也逐漸聚集，18d后在試樣表面產(chǎn)生了很多應力開裂裂紋，且表面裂紋排列平行、分布均勻，裂縫的寬度也相差不大，裂紋較長，這也是純PP 18d后基本失去承載能力的原因，如圖3（a），（b）所示。與此相反，PP／云母復合材料的表面裂紋出現(xiàn)較純PP晚，分布不均勻，裂縫寬度各異，裂紋較短，而且當裂紋擴展遇到云母片層結構時，裂紋的擴展方向發(fā)生改變，這也體現(xiàn)了云母片層及POE－g－MAH對裂紋擴展的阻礙作用，如圖3（c），（d），（e），（f）所示。所以，當試樣受到?jīng)_擊載荷時，裂紋的擴展出現(xiàn)分叉，改變其方向的同時，削弱了裂紋的強度，這就是復合材料老化后沖擊韌性保持89%以上的原因。

3 結論

a）云母、POE－g－MAH及PP－g－MAH三者協(xié)同增強增韌PP，使復合材料性能大幅度提升，綜合性能良好的配方為6＃和7＃。

b）純PP的拉伸強度先增后降，30d后拉伸強度的保持率為74%；PP／云母復合材料的拉伸強度出現(xiàn)增－降－增－降的趨勢，保持率都在95%以上；純PP的沖擊強度處于明顯的下降趨勢，特別在6～18d時，沖擊強度下降很快；PP／云母復合材料的沖擊強度也出現(xiàn)了先增后降的趨勢，但沖擊強度保持率仍高達89%以上。

c）純PP老化后表面變黃，出現(xiàn)粉化現(xiàn)象、變脆，且裂紋排列平行、分布均勻，裂縫的寬度也相差不大，裂紋較長；PP／云母復合材料老化后，表面變成灰白色，出現(xiàn)很明顯的老化特征，但粉末較純PP少，同時試樣變得硬而韌，表面裂紋出現(xiàn)較純PP晚，分布不均勻，裂縫寬度各異，裂紋較短。

［1］Dharmarajan M，Datta S，Ban L.Compatibilized polymer blends of isotactic polypropylene and styrene－maleic anhydride copolymer［J］.Polymer，1995，36（20）：3849－3860.

［2］王磊，王全兵，謝邦互，等.包覆天然云母粉填充聚丙烯復合材料的界面和性能［J］.塑料工業(yè)，2009，6（37）：70－73.