聚丙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能預(yù)測*

劉金月，祝寶東

（東北石油大學(xué)a.計算機與信息技術(shù)學(xué)院；b.化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

開發(fā)高性能的聚丙烯（PP）/蒙脫土（MMT）納米復(fù)合材料在工程塑料領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1]。然而，強疏水性PP 基體和高極性MMT 表面之間的差異使其難以生產(chǎn)。為了解決這一問題，研究者們主要從以下兩個方面開展工作：（1）對蒙脫土進行改性制備有機蒙脫土（OMMT），降低蒙脫土的表面極性并提高片層間距；（2）向該復(fù)合體系引入增容劑來增強蒙脫土與PP 基體間界面作用[1，2]。此外，在PP 中添加β 成核劑是制備β 晶型聚丙烯（β-PP）的有效手段，β-PP 比α 晶型聚丙烯（α-PP）展現(xiàn)出更高的韌性和延展性[3]。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前饋型網(wǎng)絡(luò)模型，具有良好的非線性映射能力[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、一個或多個隱藏層、輸出層組成，通過BP 算法，將預(yù)測值和標準值之間的誤差從輸出層到輸入層反向逐層傳播，在傳播過程中，對各層神經(jīng)元的連接權(quán)值和閾值進行更新，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過迭代“正向計算預(yù)測值-反向傳播預(yù)測值和真實值的誤差”這一過程，使誤差逐漸收斂到可接受范圍內(nèi)，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)達到學(xué)習(xí)目標，訓(xùn)練過程也隨之結(jié)束。

本文采用熔融擠出法制備了β-PP/OMMT 納米復(fù)合材料，考察了OMMT、β 成核劑和增容劑用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將上述因素與復(fù)合材料的缺口沖擊強度和彎曲強度進行關(guān)聯(lián)建立模型，實現(xiàn)對該材料力學(xué)性能的預(yù)測。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

PP（T30S 大慶石化分公司）；OMMT（DK-Ⅱ浙江豐虹黏土化工有限公司）；彈性體增容劑（實驗室自制）；β 成核劑（CHB-5 廣州和爾鑫化工科技有限公司）。

SHJ-20 型雙螺桿擠出機（南京杰恩特機電公司）；TTI-FX100 型注塑機（東華機械有限公司）；XJJ-50 型沖擊試驗機（承德大華試驗機有限公司）；WDW3050 型電子萬能試驗機（長春科新實驗儀器有限公司）。

1.2 復(fù)合材料與測試樣條的制備

將一定量的PP、OMMT、增容劑和β 成核劑按表1 配方混合均勻，用雙螺桿擠出機熔融擠出制備納米復(fù)合材料，主機轉(zhuǎn)速為100r·min-1，一～五區(qū)溫度分別為190、200、210、210 和190℃。復(fù)合材料經(jīng)真空干燥箱中60℃干燥12h 處理后，用注塑機在注塑溫度210℃、注塑壓力40MPa 下注塑成拉伸和彎曲測試樣條。

表1 聚丙烯及其復(fù)合材料配方（%）Tab.1 Experimental formulation of PP and its composites

1.3 力學(xué)性能測試

按照GB/T 1043.1-2008 在沖擊試驗機上進行缺口沖擊強度測試。按照GB/T 8812.1-2007 在電子萬能試驗機上進行彎曲強度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 OMMT 對力學(xué)性能的影響

圖1 為OMMT 用量對PP/OMMT 復(fù)合材料沖擊性能及彎曲性能的影響。

圖1 OMMT 用量對復(fù)合材料沖擊強度及彎曲強度的影響Fig.1 Effect of OMMT dosage on impact strength and bending strength of composites

由圖1 可見，隨著OMMT 用量從0%增加至7%，復(fù)合材料的沖擊強度從11.78kJ·m-2降至9.23kJ·m-2，減小了21.64%，而彎曲強度從24.53MPa 增加至29.75MPa，增大了21.28%，其中當OMMT 用量＞5%時彎曲強度增加較小。表明增加OMMT 用量對該復(fù)合體系的剛性有利而對韌性有損，但過量的黏土易發(fā)生團聚，導(dǎo)致自身的增強作用減弱。鑒于以上原因，OMMT 的用量選擇3%～5%為宜。

2.2 β 成核劑對力學(xué)性能的影響

圖2 為β 成核劑用量對PP/OMMT 復(fù)合材料沖擊性能及彎曲性能的影響。

圖2 β 成核劑用量對復(fù)合材料沖擊強度及彎曲強度的影響Fig.2 Effect of β-nucleating agent dosage on impact strength and bending strength of composites

由圖2 可見，隨著β 成核劑用量的增加，復(fù)合材料的缺口沖擊強度略有增加，而彎曲強度呈先增加后減小趨勢。當β 成核劑用量為0.25%時，沖擊強度達到最大，為5.29kJ·m-2，較未添加β 成核劑的增加了20.22%；當β 成核劑用量0.10%時，彎曲強度達到最大值35.06MPa，較未添加β 成核劑的增加了13.68%。說明β 成核劑對沖擊和彎曲性能均有一定的影響。這是由于隨β 成核劑用量增加，PP 結(jié)晶取向和結(jié)晶度增大，球晶內(nèi)與球晶間產(chǎn)生束縛結(jié)構(gòu)提高了晶粒之間的糾纏，因此，沖擊強度和彎曲強度不斷增大；當β 成核劑過高時，其促進結(jié)晶的能力不再明顯，且過多的取代苯環(huán)阻礙了PP 大分子在晶核周圍排列，使得結(jié)晶度降低，從而導(dǎo)致彎曲強度下降[3，5]。

2.3 增容劑對力學(xué)性能的影響

增容劑用量對PP/OMMT 復(fù)合材料沖擊性能及彎曲性能的影響見圖3。

圖3 增容劑用量對沖擊強度及彎曲強度的影響Fig.3 Effect of compatibilizer dosage on impact strength and bending strength of composites

由圖3 可見，隨著增容劑用量的增加，復(fù)合材料的沖擊強度逐漸增大，而彎曲強度不斷降低。當增容劑用量為30%時，沖擊強度達到最大值15.68kJ·m-2，較未添加增容劑的增加了約3 倍，而此時彎曲強度為26.39MPa，僅降低了28.39%。主要原因是復(fù)合材料受到?jīng)_擊時，增容劑粒子在PP 基體中誘發(fā)產(chǎn)生了大量銀紋吸收沖擊能，同時與剪切帶起了屏障作用，阻止銀紋生成裂紋，所以復(fù)合材料的沖擊性能不斷提升；而彎曲強度的降低符合彈性體增容劑改性無機粒子填充PP 體系的一般規(guī)律[6]。

3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

3.1 訓(xùn)練集數(shù)據(jù)選取

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是采用誤差反向傳播算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是處理輸入與輸出之間復(fù)雜非線性問題的有效方法[7]。本文采用Matlab 軟件建立基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PP 基納米復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)測模型。

眾所周知，有許多因素對PP 基納米復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響，但無法將每種情況都考慮進去。本文以PP、OMMT、增容劑和β 成核劑用量幾個因素作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，用來對沖擊強度和彎曲強度2 種力學(xué)性能進行預(yù)測。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型包括訓(xùn)練和預(yù)測兩個部分。表2 為聚丙烯及其復(fù)合材料不同配方的沖擊強度和彎曲強度實測值，將表1 和表2 中16 組數(shù)據(jù)分為2 組，其中，1～12 組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練子集，13～16 組數(shù)據(jù)作為測試樣本。

表2 沖擊強度和彎曲強度實測值Tab.2 Measured values of impact strength and bending strength

3.2 樣本選取及歸一化處理

為了保證模型計算精度，防止計算時數(shù)據(jù)高度集中在某些神經(jīng)元和權(quán)值上，根據(jù)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出的范圍要求，采用式（1）對訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入值和目標值進行歸一化處理，使特征向量在0～1 范圍內(nèi)取值。

式中 R：原始參數(shù)；Rm：歸一化的網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)；Rmin和Rmax：相應(yīng)數(shù)據(jù)R 的最小值和最大值。

3.3 隱含層節(jié)點的確定

在聚丙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料力學(xué)性能BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型中，需要設(shè)計的參數(shù)包括輸入層節(jié)點數(shù)、隱含層節(jié)點數(shù)和輸出層節(jié)點數(shù)。輸入層的節(jié)點數(shù)為4 個，分別為PP、OMMT、增容劑和β 成核劑用量。輸出層節(jié)點數(shù)2 個，分別為沖擊強度和彎曲強度。隱含層的節(jié)點數(shù)量會影響數(shù)據(jù)預(yù)測的精確度，如果神經(jīng)元數(shù)量過少，網(wǎng)絡(luò)難以達到預(yù)期訓(xùn)練結(jié)果，就會產(chǎn)生較大誤差。如果隱含層的神經(jīng)元太多，雖然網(wǎng)絡(luò)可以很好地學(xué)習(xí)并達到預(yù)期的精度，但它會產(chǎn)生過擬合并降低BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力[8]。隱含層節(jié)點數(shù)需通過大量的實驗才能確定，本文根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗公式得出隱含層節(jié)點數(shù)，經(jīng)驗公式如下：

式中 l：隱含層節(jié)點數(shù)；n：輸入層節(jié)點數(shù)。

式中 l：隱含層節(jié)點數(shù)；n：輸入層節(jié)點數(shù)；α：0～10之間的任意常數(shù)。

式中 l：隱含層節(jié)點數(shù)；n：輸入層節(jié)點數(shù)。

經(jīng)過多次實驗，本文確定隱含層節(jié)點數(shù)為8 個。

3.4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測及結(jié)果分析

為了減少網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時間，提升網(wǎng)絡(luò)的收斂性，采用非線性最小二乘法進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。為了驗證所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測能力，將實測值與預(yù)測值進行對比，結(jié)果見表3。

表3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果對比Tab.3 Comparison of neural network prediction results with measured results

結(jié)合仿真結(jié)果和精度計算公式，可以算出沖擊強度的平均相對誤差為3.96%，預(yù)測精度為96.04%；彎曲強度的平均相對誤差為2.38%，預(yù)測精度為97.62%，精度達到了一定的標準要求。說明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠比較精確的預(yù)測復(fù)合材料的力學(xué)性能，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的工作性能。

4 結(jié)論

采用熔融擠出法制備了β 成核聚丙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)OMMT 用量、β 成核劑及增容劑用量對復(fù)合材料的力學(xué)性影響有所不同。蒙脫土用量選擇3%～5%為宜；添加0.1% β 成核劑時復(fù)合材料彎曲強度達到最大值35.06MPa，較不添加時增加了13.68%；當增容劑用量為30%時，復(fù)合材料缺口沖擊強度較不添加時增加了約3 倍，而彎曲強度僅降低了28.39%。此外，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對該復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)測比較精確，將在后續(xù)的研究中進一步采用并改進。