聚甲醛/水鎂石纖維復合材料的制備與表征

盧 波，鄒光繼，季君暉，王萍麗，楊 冰

（1.中國科學院理化技術研究所，北京市 100190；2.中國礦業(yè)大學（北京），北京市 100083）

聚甲醛/水鎂石纖維復合材料的制備與表征

盧 波1，鄒光繼2，季君暉1，王萍麗1，楊 冰1

（1.中國科學院理化技術研究所，北京市 100190；2.中國礦業(yè)大學（北京），北京市 100083）

以水鎂石纖維為聚甲醛（POM）的增強填料，通過熔融擠出法制備了水鎂石纖維/POM復合材料，結果表明：在該復合材料體系中，鈦酸酯偶聯劑是比較理想的水鎂石纖維表面改性劑；水鎂石纖維對POM可以起到增強作用，當水鎂石纖維含量為15%時，彎曲強度增大了12.4%，拉伸強度變化不大；水鎂石纖維對POM的結晶溫度和熔融溫度影響不大，但是結晶度從82.1%降低到66.1%。

聚甲醛 水鎂石纖維 表面改性 復合材料

聚甲醛（POM）是一種沒有側鏈，高密度、高結晶性的線性聚合物，具有優(yōu)異的綜合性能，如抗疲勞強度高；耐磨性能好，磨擦性能非常優(yōu)異；吸水率低；表面硬度大，剛性好；尺寸穩(wěn)定性好，產品尺寸的精度高；良好的滑動，被譽為“超鋼”或者“賽鋼”。POM以低于其他許多工程塑料的成本，正在逐漸替代一些傳統(tǒng)上被金屬所占領的市場，如替代鋅、黃銅、鋁和鋼等制作許多部件，廣泛用于電子電氣、機械儀表、汽車、醫(yī)療等領域[1-3]。隨著POM應用領域的拓展，對其性能也提出了更高的要求，如拉伸強度、彈性模量等。礦物纖維是常用的聚合物增強填料，通過添加礦物纖維制備聚合物基復合材料可提高復合材料的性能。

水鎂石纖維是由水鎂石礦物的纖維狀變體而成的一種新型礦物資源，主要成分是Mg（OH）2，具有優(yōu)良的力學性能、抗堿性能、分散性能及環(huán)境安全性[4-5]。本工作通過雙螺桿擠出機制備POM/水鎂石纖維復合材料，研究了水鎂石纖維有機改性劑、水鎂石纖維含量對POM/水鎂石纖維復合材料性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

POM，YL90，天津渤化永利化工股份有限公司（原天津堿廠）生產，熔體流動速率為8.42 g/10 min；水鎂石纖維，河北省靈壽縣冀鴻礦產品加工廠生產，縱纖維，拉伸強度892.4～1 283.7 MPa；硅烷偶聯劑KH570，廣州億琿盛化工有限公司生產；硬脂酸、硬脂酸鈉，均為分析純，西隴化工股份有限公司生產；鋁酸酯，南京甲冠化工有限公司生產；鈦酸酯，廣州中杰化工科技有限公司生產；無水乙醇：北京化工廠生產。

CTE-sc-32型雙螺桿擠出機，南京波利瑪機械設備有限公司生產；HTF1060F3型注塑機，寧波漢通機械設備有限公司生產；INSTRON 5699型萬能試驗機，美國英斯特朗公司生產；XJ-300A型沖擊試驗機，吳忠材料試驗機廠生產；METTLER TOLEDO型差示掃描量熱儀，瑞士梅特勒-托利多公司生產；S-4300型掃描電子顯微鏡，日本日立公司生產。

1.2 試劑制備

1.2.1 水鎂石纖維的表面改性

先將水鎂石纖維放入適量去離子水中置于高速攪拌機下分散；稱取占水鎂石纖維質量1%～2%的偶聯劑，按質量比1∶10溶于無水乙醇中；然后將偶聯劑溶液倒入水鎂石纖維懸浮液中，放入油浴中加熱到60～80 ℃，繼續(xù)攪拌50～80 min；完成后進行抽濾、烘干[6-9]。

1.2.2 POM/水鎂石纖維復合材料的制備

將質量分數3%的改性水鎂石纖維添加到POM基體中，置于擠出機中制備成POM/水鎂石纖維復合材料，擠出機機尾到機頭各段溫度分別為170，180，180，180，180，170 ℃?？疾霵OM/水鎂石纖維復合材料的力學性能，對偶聯劑進行初步篩選；確定偶聯劑后，制備纖維質量分數分別為1%，3%，5%，10%，15%，20%的復合材料，考察不同含量對產物各項性能的影響。

1.3 測試與表征

1.3.1 差示掃描量熱法（DSC）測試

用差示掃描量熱儀在一定升降溫速率下考察復合材料的非等溫結晶過程，稱取5 mg左右試樣，置于坩堝中，在氮氣氛圍中測試。從25 ℃以10 ℃/min升至200 ℃，恒溫5 min以消除熱歷史，以10 ℃/min降溫至25 ℃使其結晶，再以10 ℃/min升至200 ℃。

1.3.2 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察

將試樣置于液氮中將其脆斷，將斷裂表面進行噴金處理后，用SEM觀察表面形貌。

1.3.3 力學性能

用注塑機制備標準樣條，樣條在實驗室環(huán)境中放置24 h以上，依據GB/T 1040.2—2006和GB/T 9341—2008，用萬能試驗機進行拉伸和彎曲性能測試，拉伸速度50 mm/min，彎曲實驗速度2 mm/min。依據GB/T 1043—2008，用沖擊實驗機進行缺口沖擊實驗。每組均至少測定4次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 水鎂石纖維改性劑的篩選

從表1看出：不同表面改性劑處理后的POM/水鎂石纖維復合材料的拉伸強度均有所提高，斷裂拉伸應變、彎曲強度和沖擊強度均下降，經鈦酸酯偶聯劑改性后的復合材料各項性能相對較為均衡，故確定采用鈦酸酯偶聯劑為改性劑。

表1 不同表面改性劑處理后的POM/水鎂石纖維復合材料的力學性能Tab.1 The mechanical properties of the POM/fibrous brucite composites with different surface modification agents

2.2 DSC分析

從表2看出：水鎂石纖維的加入對POM的結晶溫度（tc）和熔融溫度（tm）影響不大，但是對結晶度（Xc）有一定影響，纖維的加入降低了POM 的Xc，且隨著纖維含量的增加，Xc呈越來越低的趨勢。

表2 POM/水鎂石纖維復合材料熔融行為和結晶行為Tab.2 The melt behavior and crystallization behavior of the POM/fibrous brucite composites

2.3 微觀形貌

由于水鎂石纖維含量較少，所以從圖1a、圖1b、圖1c很難看到纖維分布。隨著水鎂石纖維含量的增多，圖1d、圖1e、圖1f可以明顯看出水鎂石纖維在聚合物基體中的分散情況。水鎂石纖維在基體中分散比較均勻，并且多數成縱向排列，在一定程度上起到了增強填料的作用；但是隨著水鎂石纖維含量的增多，尤其當質量分數超過15%時，可以看出聚合物基體出現了很多孔隙，呈現不連續(xù)相，可能是因為水鎂石纖維含量過多，導致纖維團聚，無法在基體中很好地分散，會對相關的力學性能產生不利影響。

圖1 POM/水鎂石纖維復合材料斷面SEM照片Fig.1 The micrographs of POM/fibrous brucite composites

2.4 力學性能

從圖2看出：拉伸強度隨著水鎂石纖維含量的增多呈先增后降趨勢，斷裂拉伸應變降低很快；當水鎂石纖維質量分數小于10%時，拉伸強度小幅提高，但當水鎂石纖維質量分數超過10%，拉伸強度隨纖維含量增加而減小。這能是因為隨纖維含量增多，纖維在聚合物基體中無法均勻分散，也有可能是兩者相容性變差導致在基體中形成缺陷。彎曲強度和彎曲模量隨纖維含量增多逐漸提高；沖擊強度隨著纖維含量的增加而降低。

圖2 不同水鎂石纖維含量對復合材料力學性能的影響Fig.2 Effect of different contents of fibrous brucite on mechanical properties of composites

綜上所述，隨著水鎂石纖維含量的增多，拉伸強度、彎曲強度和彈性模量均有所提高，且彎曲強度有較大的增長幅度。這說明水鎂石纖維對POM可起到增強作用。同時，斷裂拉伸應變和沖擊強度均隨水鎂石纖維含量的增多而降低，說明水鎂石纖維不能對POM起到增韌作用。

3 結論

a）隨水鎂石纖維含量增多，復合材料的拉伸強度和彎曲強度均有所提高，而斷裂拉伸應變和沖擊強度卻呈下降趨勢，說明水鎂石纖維對POM可起到增強的作用，但無增韌的效果。

b）水鎂石纖維的加入，對POM的tc和tm影響不大，但Xc減小，起抑制結晶的作用。

c）經過改性后的水鎂石纖維可以較均勻地分散在基體中，但隨著纖維含量的增多，POM基體出現許多孔隙，形成不連續(xù)相，對其相關性能造成不利影響。

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Preparation and Characterization of fibrous brucite/polyoxymethylene composites

Lu Bo1， Zou Guangji2， Ji Junhui1， Wang Pingli1， Yang Bing1

（1.Technical Institute of Physics and Chemistry， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.China University of Mining & Technology， Beijing 100083，China）

Polyoxymethylene/ Fibrous Brucite composite materials were prepared by melt blending and extrusion. The composite materials were characterized by DSC， SEM， mechanical test. The results show that titanate coupling agent is a ideal surface modifier for fibrous brucite. The fibrous brucite can reinforce polyoxymethylene. When the sample contained 15% fibrous brucite， the flexural strengthwas increased by 12.4% while the tensile strength changed slightly. Adding the fibrous brucite， the crystallinity temperature and melting temperature of POM keep largely invariant， but the degree of crystallinity reduced from 82.1% to 66.1%

polyoxymethylene；fibrous brucite；surface modification； composite

O 631.2+1

B

1002-1396（2015）05-0032

2015-04-13；

2015-07-01。

盧波，男，1985年生，助理研究員，2010年畢業(yè)于中國地質大學（北京）化學專業(yè)，主要研究方向為降解高分子復合材料。聯系電話：（010）82543431，E-mail：lubo@ mail.ipc.ac.cn。