硅烷偶聯(lián)劑對PP／GNPs復(fù)合材料性能的影響

古莘旺 郭茂 鄧林壽 王彩紅 魯圣軍

（1．貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽，550025；2．貴州大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽，550025；3．貴州晟揚(yáng)管道科技有限公司，貴州 貴定，551302）

聚丙烯（PP）性能優(yōu)異、容易加工，在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用［1］。但是，PP存在強(qiáng)度較低、耐低溫沖擊性差、容易產(chǎn)生靜電以及較易老化降解等缺點(diǎn)，限制了其應(yīng)用。因此，PP作為一種基體材料，需要與一些有特定性能的無機(jī)填料如石墨烯（GNPs）等通過物理或化學(xué)的方式混合，使其在力學(xué)、電學(xué)、導(dǎo)熱等方面得到改善的功能型復(fù)合材料［2-5］。GNPs［6］具有優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，是制備高強(qiáng)度聚合物納米復(fù)合材料的理想填充物［7-9］。在化工領(lǐng)域，PP／GNPs復(fù)合材料代替金屬材料用作散熱片、散熱管等方面有較大的應(yīng)用前景。然而GNPs與PP混合時，GNPs的團(tuán)聚現(xiàn)象十分明顯，導(dǎo)致復(fù)合材料性能降低。以下采用硅烷偶聯(lián)劑KH550，KH560和KH570對GNPs進(jìn)行表面改性，再通過預(yù)混、熔融共混、擠出制備了PP／改性GNPs復(fù)合材料，研究3種硅烷偶聯(lián)劑對其導(dǎo)熱系數(shù)、電導(dǎo)率、力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的影響。

1 試驗(yàn)部分

1．1 主要原料

PP，T30S，德州金和化工經(jīng)貿(mào)有限公司；GNPs，片材直徑2～3μm，厚度約2 nm，江蘇先豐納米材料科技有限公司；硅烷偶聯(lián)劑，KH550，KH560和KH570，純度97%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1．2 主要設(shè)備與儀器

雙螺桿擠出機(jī)，SJZS-10，注塑機(jī)，SZS-20，風(fēng)冷輸送機(jī)，SFS-120，塑料切粒機(jī)，SQS-180，均為武漢瑞鳴實(shí)驗(yàn)儀器制造有限公司；萬能試驗(yàn)機(jī)，E44．304，美國美特斯公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，PIT501J，深圳萬測試驗(yàn)設(shè)備有限公司；熱重分析儀（TG），TG Q500，差示掃描量熱儀（DSC），DSC Q50，均為美國TA 公司；掃描電子顯微鏡（SEM），S-3400N（II），日立公司；熱常數(shù)分析儀，TPS500S，瑞典Hot Disk公司；四探針測試儀，SZT-2C，蘇州同創(chuàng)電子有限公司。

1．3 PP／改性GNPs復(fù)合材料制備

使用無水乙醇將KH550，K H560和KH570（與GNPs等質(zhì)量）溶解后，與GNPs（按照PP質(zhì)量的1%）混合并攪拌均勻，置于90℃烘箱烘干。按照PP質(zhì)量的1%稱取改性GNPs，再和一定量的PP預(yù)混合、擠出、切粒，螺桿轉(zhuǎn)速為50 r／min，一區(qū)～三區(qū)溫度分別為160，195，200℃；將粒料注射成標(biāo)準(zhǔn)樣條以測試力學(xué)性能。添加KH550，KH560和KH570的PP／改性GNPs樣品編號分別 記 為PP／GNPs-550，PP／GNPs-560 和PP／GNPs-570，未添加硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合材料編號記為PP／GNPs。

1．4 性能測試及表征

TG分析：氮?dú)鈿夥?，?0℃／min從室溫加熱到600℃。

DSC分析：氮?dú)鈿夥?，稱取約5 mg樣品，先以40℃／min升至250℃（一次升溫），恒溫3 min，消除熱歷史；再以20℃／min冷卻至60℃（一次降溫），恒溫5 min；最后以20 ℃／min再次升至200℃（二次升溫），記錄其熔融和結(jié)晶曲線。

SEM 分析：斷面采用液氮脆斷，觀察改性GNPs在PP基體中的分散情況，加速電壓10 k V。

拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1040—2018測試；彎曲強(qiáng)度按照GB／T 9341—2008測試；沖擊強(qiáng)度按照GB／T 1043—2018測試。

2 結(jié)果與討論

2．1 PP／改性GNPs復(fù)合材料的力學(xué)性能

表1是PP／改性GNPs復(fù)合材料的力學(xué)性能。從表1可以看出，與PP／GNPs相比，PP／改性GNPs復(fù)合材料的力學(xué)性能都明顯提升。PP／GNPs-550，PP／GNPs-560，PP／GNPs-570的拉伸強(qiáng)度分別提高了3．3%，11．3%，1．3%；彎曲強(qiáng)度分別提高了7．6%，12．3%，10．6%；沖擊強(qiáng)度分別提 高 了61．1%，89．4%，50．5%。其 中PP／GNPs-560改性的效果最佳。這是因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑增加了PP與GNP之間界面結(jié)合力。

表1 PP／改性GNPs復(fù)合材料的力學(xué)性能

2．2 PP／改性GNPs復(fù)合材料熱穩(wěn)定性和結(jié)晶性能

圖1是PP／改性GNPs復(fù)合材料的TG分析。

從圖1可以看出，PP／改性GNPs復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性均得到提升，其中PP／GNPs-560復(fù)合材料的起始分解溫度最高（422℃），比PP／GNPs的起始分解溫度（391 ℃）提高了31 ℃。主要是GNPs-560在PP基體中分散性較好，因此具有較好的氧氣阻隔效果。

圖2 是PP／改性GNPs復(fù)合材料的DSC分析。從圖2可以看出，PP／改性GNPs復(fù)合材料熔融吸收峰的位置均向高溫處偏移；PP／改性GNPs復(fù)合材料在較高溫度處就開始結(jié)晶，說明加入改性GNPs提高了復(fù)合材料的結(jié)晶溫度。

2．3 PP／改性GNPs復(fù)合材料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能

表2是PP及其復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率。

表2 PP及其復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率

從表2可以看出，與PP／GNPs相比，PP／改性GNPs復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率總體均有所提高，但提高不明顯。PP的電導(dǎo)率為4．420 1×10－15S／m，PP／GNPs的電導(dǎo)率有所上升，PP／改性GNPs復(fù)合材料的電導(dǎo)率進(jìn)一步提升，其中PP／GNPs-560復(fù)合材料的電導(dǎo)率最高。

2．4 改性GNPs在PP基體中的分散狀態(tài)

圖3是PP／改性GNPs復(fù)合材料脆斷面的SEM分析。

由圖3可以看出，與PP／GNPs相比，PP／改性GNPs復(fù)合材料的斷裂面更為粗糙，表現(xiàn)出較好的沖擊性能。這是由于改性GNPs在PP基體中分散性較好，與PP基體之間的界面結(jié)合力得到了改善。

3 結(jié)論

a） 與PP／GNPs相比，PP／GNPs-560復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了11．3%，彎曲強(qiáng)度提高了12．3%，沖擊強(qiáng)度提高了89．4%。

b） 與PP／GNPs相比，PP／GNPs-560復(fù)合材料的起始分解溫度提高了31℃，熔融和結(jié)晶溫度均得到提高。

c） 與PP／GNPs相比，PP／改性GNPs復(fù)合材料的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)有所提高，但提高不明顯。