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浅谈矿物填料形状如何影响PP复合材料力学性能 关键词：力学性质复合材料断裂表面矿物填料形状聚丙烯聚丙烯（PP）是使用最广泛的通用塑料之一，具有合成工艺简单，良好的加工性，较高的力学性质等优点，但纯PP存在成型收缩率大、对缺口敏感性强等缺点，限制了PP作为工程塑料的应用[1]通过加入其他塑料或橡胶粒子可增加材料的韧性，降低材料的敏感性，但同时会削弱材料的刚性与强度，并大大降低其加工性能[2-3]而通过添加矿物填料对PP进行改性，不仅可以使复合材料的成型收缩率、刚度、缺口敏感性得到较大改善，还可以降低材料的成本[4]影响矿物填料填充改性PP的因素有很多，如矿物填料的形状、表面改性及粒度等，其中矿物填料表面改性及粒度对PP性能的影响研究[5-10]已较多，但矿物填料形状对PP复合材料性能影响研究的文章鲜有报道鉴于此，本研究采用纤维状CaSiO3与颗粒状CaCO3为填料，JN-114为改性剂、PP为基体树脂制备复合材料，并进行力学性能测试，利用SEM研究矿物填料形状对PP基体力学性能影响机制1、试验部分1.1 原料及试剂聚丙烯K1008（PP），粒料，中国燕山石化北京分公司生产；硅灰石（CaSiO3），D90为16.1μm，长径比为1∶5.7，取自辽宁铁岭某硅灰石矿；碳酸钙（CaCO3），D90为16.48μm，江西利源粉体公司；钛酸酯偶联剂JN-114，化学纯，常州市吉耐助剂有限公司；液体石蜡，天津市瑞金特化工有限公司；石油醚，天津市富宇精细化工有限公司。

1.2 试验设备高速混合机，SHR-25A，江苏鑫达塑料机械有限公司；双螺杆挤出机，SJSH-30，石家庄市星烁实业公司；注塑机，SA600/150，宁波海天塑机集团有限公司；电子力学万能试验机，WDW-50E，济南试金集团有限公司；冲击试验机，ZBC8151-B，美斯特工业系统有限公司；扫描电子显微镜，ULTRAPLUS，德国蔡司显微镜公司1.3 试样制备1.3.1 矿物填料表面处理：称取定量矿物填料加入高速混合机中，加热搅拌，在90℃下加入1%经石油醚稀释的钛酸酯偶联剂JN-114，反应30min后，停止搅拌得到表面改性的矿物填料1.3.2PP/矿物填料复合材料制备：将一定量PP粒料、表面改性的矿物填料及助剂（0.5%PE蜡，0.2%芥酸酰胺，0.01%抗氧剂1010与0.02%抗氧剂168）充分混合使其均匀，然后将混合物加入到双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒，挤出温度165~190℃，螺杆转速70r/min上述粒料经过80℃烘干4h后用注塑机注塑样条1.4 性能测试及表征拉伸性能：按照GB/T1040.1-2006制备样条，样条长度、宽度、厚度分别为115mm、10mm、4mm，哑铃型，拉伸速度为50mm/min，每一组分的样条最少测量5次，最终结果为5个测试值的平均值。

弯曲性能：按照GB/T9341-2008制备样条，样条长度、宽度、厚度分别为80mm、10mm、4mm，试验速度为5mm/min，每一组样条最少测量5次，取平均值悬臂梁缺口冲击性能：按照GB/T1843-2008制备样条，样条长度、宽度、厚度分别为80mm、10mm、4mm，V型缺口，缺口宽度为2mm，冲击方向为侧向平行，摆锤规格为11J每种试样至少测量10次，取平均值断面形貌观察：将矿物填料添加量为30%的复合材料拉伸试样断面表面喷金，用SEM观察断面形貌2、结果与讨论2.1 拉伸性能PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料拉伸强度与填料含量的关系，见图1图1PP/CaCO3和PP/CaSiO3的拉伸强度从图1可看出，CaSiO3与CaCO3的加入均使复合材料拉伸强度下降当添加量40%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料拉伸强度分别下降至27.14MPa与23.01MPa，较纯PP分别下降了19.23%与31.52%复合材料拉伸强度下降主要有两方面原因，一方面矿物填料与PP相容性和浸润性差，使复合材料的界面黏结力薄弱，导致复合材料形成缺陷，当受到外力作用时，复合材料从缺陷处断裂，导致拉伸强度下降；另一方面JN-114改性的矿物填料表面包覆着一层烷基磷酸盐结构，该物质对PP有增塑作用，导致复合材料拉伸强度降低。

而PP/CaSiO3复合材料拉伸强度大于PP/CaCO3复合材料拉伸强度，是因为CaSiO3的纤维状结构使它们在加工中在某方向发生流动取向，在取向方向上能够有一定的应力传递能力PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料拉伸模量与填料含量的关系，见图2图2PP/CaCO3和PP/CaSiO3的拉伸模量从图2可看出，CaSiO3与CaCO3的加入均使复合材料拉伸模量明显提高其原因主要有两点：一是根据混合法则，CaCO3与CaSiO3为无机刚性粉体，其自身模量较纯PP高很多，因此随着添加量增多，复合材料的模量也增加二是加入CaCO3与CaSiO3，限制了聚丙烯分子链的相对运动，使得复合材料刚性增加当填料添加量为40%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料拉伸模量分别提高至2859.62MPa与2355.73MPa，较纯PP分别上升了116.64%与78.22%PP/CaSiO3复合材料拉伸模量增加量大于PP/CaCO3复合材料，是因为在复合材料受到拉力作用时，纤维状结构CaSiO3较颗粒状的CaCO3使PP分子链的缠绕程度加大，减小分子链之间的相对滑动，因此PP/CaSiO3复合材料刚性得到较大的提高。

2.2 弯曲性能PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料弯曲强度与填料含量的关系，见图3图3PP/CaCO3和PP/CaSiO3的弯曲性能从图3可看出，CaSiO3与CaCO3的加入均使复合材料弯曲强度下降，主要原因是加入CaCO3与CaSiO3使样条内部形成空隙，引起应力集中而PP/CaSiO3复合材料弯曲强度下降程度远小于PP/碳酸钙复合材料，这是因为有一定长径比结构的CaSiO3在复合材料受到弯曲挤压作用时起到支撑作用和抗弯作用，从而使得其弯曲强度高于PP/CaCO3复合材料当填料添加量40%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料弯曲强度分别下降至44.65MPa与39.25MPa，较纯PP分别下降了4.35%与15.92%PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料弯曲模量与填料含量的关系，见图4图4PP/CaCO3和PP/CaSiO3的弯曲模量从图4可看出，加入CaSiO3与CaCO3均使复合材料弯曲模量明显提高，由于CaCO3颗粒具有等轴性质，对模量的影响不如纤维状填料CaSiO3显著当填料添加量为40%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料弯曲模量分别提高至3219MPa与2353.5MPa，较纯PP分别上升131.05%与68.93%。

2.3 冲击性能PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料悬臂梁V-型缺口冲击强度与填料含量的关系，见图5图5PP/CaCO3和PP/CaSiO3的冲击强度从图5可看出，复合材料悬臂梁缺口冲击强度均随着添加量增加呈先上升后下降的趋势，但复合材料冲击强度一直高于纯PP，加入CaSiO3与CaCO3均能对PP起到增韧作用这是因为PP是一种缺口敏感性高的材料，当受到高速率的冲击作用时，裂缝会沿着缺口迅速开裂，导致纯PP的缺口冲击强度较小而矿物填料的加入使复合材料在受到外力时产生微细银纹，由于银纹的存在使得裂痕难以进一步扩张，从而吸收更多能量使冲击强度升高而随着矿物填料添加量增加，填料团聚导致产生大量的缺陷，且填料与基体材料相容性差，使得材料缺口冲击强度下降当填料添加量为20%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料冲击强度达到最大值，分别为4.62kJ/m2与5.03kJ/m2，较纯PP冲击强度提高了30.14%与41.69%当添加量为40%时，PP/CaSiO3与PP/CaCO3复合材料冲击强度下降到4.27kJ/m2与4.56kJ/m2，较纯PP冲击强度提高20.28%与28.45%。

2.4 形态PP/CaCO3和PP/CaSiO3复合材料的拉伸断面SEM图，见图6图6拉伸断面SEM照片从图6可看出，改性CaSiO3与CaCO3在PP基体中分散性良好，没有明显的的团聚现象，但在拉伸断面中裸露的CaSiO3与CaCO3几乎看不到黏附的PP树脂，且可以明显看到CaSiO3与CaCO3的外观形貌说明钛酸酯偶联剂JN-114并没有改善CaSiO3、CaCO3与PP基体的相容性从图6a、图6b可看出，CaSiO3保持良好的针状结构，在PP树脂中沿某一方向发生取向性，因此当受到外力作用时，CaSiO3可以在取向方向上传递一定的应力，产生较小的应力集中，从而使得PP/CaSiO3复合材料的拉伸强度较大从图6c、图6d可看出，CaCO3由于其颗粒状结构，无法在加工中产生取向性，因此在受到外力作用时无法进行应力传递，使得PP/CaCO3复合材料在较小的外力作用下就发生断裂3、结论1. 加入CaCO3与CaSiO3均导致PP拉伸与弯曲强度下降，PP/CaSiO3复合材料比PP/CaCO3复合材料具有更好的拉伸和弯曲强度；加入CaSiO3与CaCO3均能使复合材料的模量提高，且CaSiO3较CaCO3明显增强PP模量；二者对PP的作用不同，原因在于其形貌不同。

2. CaCO3与CaSiO3对PP均能起到增韧作用，降低PP的缺口敏感性，尤其颗粒状CaCO3较为明显3. 钛酸酯偶联剂JN-114改性后CaCO3与CaSiO3在PP基体中均匀分散，但矿物填料与PP基体的界面黏结性较差参考文献：[1]金自游,任文坛,彭宗林,等.动态硫化增韧聚丙烯／三元乙丙橡胶共混物的研究.[J].中国塑料,2006,20(1):25–30.[2]胡智华,傅和青.聚丙烯填充改性[J].化工新型材料,2005,33(5):60-64.[3]梁基照,彭万.硅藻土含量和粒径对填充PP冲击强度影响[J].现代塑料加工应用,2007(3):35-37.陈晓龙,张陶忠,于福家,楚文城,胡杰,丛国龙.矿物填料形状对PP复合材料力学性能的影响[J].非金属矿,2020,43(1):40-43.-全文完-。