玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能研究

冼嘉明，陳佳俠，曹琳，柏曉鶴，林志丹

（暨南大學(xué)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632）

玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復(fù)合材料的制備與性能研究

Preparation and properties of glass fi ber / kitchenware calcifi cations / polypropylene composites

冼嘉明，陳佳俠，曹琳，柏曉鶴，林志丹

（暨南大學(xué)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系，廣東 廣州 510632）

通過熔融擠出法制備了玻璃纖維/餐廚鈣化物/聚丙烯復(fù)合材料，并對復(fù)合材料進行了力學(xué)性能以及微觀形貌的測試，結(jié)果表明經(jīng)過庚二酸鈣表面改性的刻蝕玻纖能夠有效的提高材料的抗沖擊性能，餐廚鈣化物的加入進一步提升了沖擊強度。其中，最高值為PP10GF1的61.3 J/m，相對PP的純29.9 J/m提升了105.1%。因為改性后玻纖與PP相容性一般，拉伸強度整體上有少許的下降，添加餐廚鈣化物后，由于會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，對拉伸強度產(chǎn)生了負(fù)面的影響。

玻纖；餐廚鈣化物；聚丙烯；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

1 介紹

聚丙烯是通用塑料之一，是一種具備多種優(yōu)良性能的熱塑性高分子，其產(chǎn)品具有密度小、透明度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒、易加工以及成本低等優(yōu)點，正廣泛應(yīng)用于汽車、家電、食品包裝、電子電器、農(nóng)業(yè)及建材等領(lǐng)域［1～3］。

目前，為了增強和降低成本，使用玻纖（GF）、碳酸鈣填充是常用的手段，但會對抗沖擊性能有一定的影響［4～5］；而為了提高沖擊強度，現(xiàn)階段可通過添加β成核劑來改變晶型達(dá)到增韌的效果［6～7］。本文使用PP為基體，表面改性玻纖為增強體兼成核劑，餐廚生物鈣化物為填充物，一方面為玻纖改性PP提供了新方法，另一方面將餐廚垃圾變廢為寶，綠色環(huán)保，具有不錯的應(yīng)用前景。

2 實驗

2.1 實驗原料與儀器

2.1.1 實驗原料

聚丙烯（HP500N）；庚二酸（純度98%以上）；氫氧化鈣（分析純）；短切玻纖（4 mm）；餐廚雞蛋殼（D）和白貝（B）；濃硫酸（濃度98%）；濃鹽酸（37%）

2.1.2 實驗儀器

中藥粉碎機（JP1000B—8）；雙螺桿擠出機（SHJ—20）；注塑機（HT—880）；萬能材料試驗機（Zwick/Roell Z005）；全自動電腦干燥箱（EDHG-9140C）；場發(fā)射掃描電鏡（Ultra55）；沖擊試驗機（ZBC50）。

2.2 樣品制備

將餐廚生物鈣化物處理干凈后烘干，利用高速破碎機破碎成粉后，經(jīng)200目篩子過篩后備用；使用濃硫酸和濃鹽酸分別配制濃度為0.3 mol/L的稀硫酸和稀鹽酸，再將二者混合，往其中放入玻纖，在60 °C下刻蝕5 h后，用蒸餾水反復(fù)清洗，然后在85 °C下干燥備用；將氫氧化鈣與庚二酸按1：1反應(yīng)24 h得到庚二酸鈣沉淀，清洗干凈烘干備用；用蒸餾水溶解適量庚二酸鈣浸潤刻蝕玻纖得到表面改性玻纖（GF1）；將PP、GF1和餐廚鈣化物按照表1的配方進行混料，然后通過擠出機擠出切粒。

表1 玻璃纖維/生物鈣化物/聚丙烯復(fù)合材料的配比及力學(xué)性能

2.3 力學(xué)性能測試

根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法進行拉伸、彎曲和沖擊性能的測試。對于每一個不同種的復(fù)合材料中，取5個試樣進行了不同的力學(xué)性能測試。拉伸強度按ASTM D—638標(biāo)準(zhǔn)測試，拉伸速度為50 mm/min，測試溫度為23 ℃；彎曲性能按ASTM D—790標(biāo)準(zhǔn)測試，測試速率為2 mm/min，測試溫度為23 ℃；懸臂梁缺口沖擊按ASTM D—256測試，測試溫度為23 ℃，擺錘能量等級為5.5 J。

2.4 微觀形貌測試

采用共混物的沖擊斷裂面的標(biāo)本，經(jīng)過噴金處理，置于場發(fā)射掃描電鏡下觀察，得到斷面形貌。

3 結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能

從表1可知，添加庚二酸鈣表面改性的玻纖GF1后，沖擊強度有大幅度的提升，并且會隨著玻纖含量的增加而增加，最高值為PP10GF1的61.3 J/m，相對純PP的29.9 J/m提升了105.1%，增大了一倍多，效果顯著。這種現(xiàn)象一方面是因為短切玻纖在沖擊時可以作為應(yīng)力承受點，另一方面是因為庚二酸鈣可誘導(dǎo)生成β晶體，該晶體是小球晶，具備韌性大這個優(yōu)點，在兩者共同作用下提升了復(fù)合材料的韌性；但是，由于β晶體本身強度不高，導(dǎo)致PP在晶型變化后，拉伸強度有下降的現(xiàn)象。值得注意的是，PP5GF1的沖擊強度相對其他填充量不高，但是拉伸強度卻比純PP有所提升，達(dá)到35 MPa，這可能是因為，晶型轉(zhuǎn)變增韌作用和玻纖增強作用兩者博弈中，玻纖增強起主導(dǎo)引起的。另外，餐廚鈣化物的加入，能夠進一步增強抗沖擊性能，這可能是由于鈣化物作為剛性粒子，能作為應(yīng)力集中點抵抗沖擊形變。但由于鈣化物是無機粒子，與PP相容性一般，會導(dǎo)致拉伸強度的下降。

3.2 斷面形貌

圖1 PP5GF110D的斷面形貌

由圖1可知，PP5GF110D樣品斷面不平整，存在凹凸不平現(xiàn)象，這是因為PP生成的是β晶體，并不是單純的α晶體的脆性斷裂；表面改性后的玻纖與基體的相容性一般，在受到?jīng)_擊時，會出現(xiàn)抽離現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致拉伸強度的下降的因素；雞蛋殼粉能夠均勻分布在PP中，大體上與PP界面結(jié)合良好，因而會使沖擊性能提高，但由于含量相對較高，會出現(xiàn)部分團聚，影響了復(fù)合材料的整體性，對拉伸強度造成負(fù)面影響。

4 結(jié)論

利用混合稀硫酸和稀鹽酸刻蝕玻纖后，再用庚二酸鈣表面改性，得到了GF1。將改性玻纖、餐廚鈣化物和聚丙烯三者熔融共混擠出得到復(fù)合材料，其沖擊強度會隨著玻纖含量的增加而增加，且提升效果明顯，但拉伸強度會有所下降。玻纖與PP的相容性一般，表面粘著能力不強，加入的餐廚鈣化物分布均勻，部分會出現(xiàn)團聚。

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（P-01）

TQ327

1009-797X（2016）04-0047-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.018

冼嘉明（1991-），男，暨南大學(xué)材料科學(xué)與工程系材料加工工程專業(yè)碩士生，主要從事高分子加工與改性方面的研究。

2015-12-01

項目支持：1.廣東省產(chǎn)學(xué)研重點項目（2013B090200025）；2.廣東省科技計劃項目（2013B010403013）；3.暨南大學(xué)2015年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（CX15004）。