钛酸钾晶须增强聚丙烯研究

钛酸钾晶须增强聚丙烯研究

杨　宁,贵大勇,钱　诚

(北京理工大学材料科学与工程学院,北京100081)

摘　要:采用钛酸钾晶须(K2Ti6O13)对聚丙烯(PP)进行填充,对几种不同的表面处理剂的偶联作用效果进行了比较。实验结果表明:钛酸钾晶须对聚丙烯有较好的增强增韧效果,可以普遍提高材料的力学性能,最佳用量为25%～35%。硅烷偶联剂KH2550对材料的界面结合有较好的促进作用,马来酸酐接枝改性的聚丙烯(PP2g2MAH)可以作为复合体系的有效增容剂。

关　键　词:聚丙烯;钛酸钾晶须;偶联剂;马来酸酐接枝改性聚丙烯

中图分类号:TQ325.1+4 文献标识码:B 文章编号:1001Ο9278(2004)01Ο0071Ο04

Study on Potassium Titanate Whisker R einforced Polypropylene

YAN G Ning,GU I Da2yong,Q IAN Cheng

(School of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China)

Abstract:The mechanical property of polypropylene(PP)reinforced with potassium titanate whisker was studied.When the content of the whisker was between25%～35%,the material exhibited an opti2 mum set of mechanical properties.Various coupling agents were compared and KH550was considered the best.Maleic anhydride grafted PP was found a suitable compatibilizer for PP and the whisker.

K ey w ords:polypropylene;potassium titanate whisker;cou pling agent;maleic anhydride grafted polypropylene

晶须是具有规整截面,长径比从10～1000甚至更高,截面积小于5.1×10-4cm2的单晶纤维材料。其晶体结构完整、内部缺陷较少,其强度和模量均接近完整晶体材料的理论值,是目前发现的固体的最强形式[1]。由于晶须本身结构纤细,且具有高强度、高模量等优异的力学性能,加入树脂之中,能够均匀分散,起到骨架作用,形成聚合物-纤维复合材料,晶须的存在能够发展定向结构,但又不产生各向异性,可减少缺陷形成,有效地传递应力,阻止裂纹扩展,可以使得聚合物内聚强度增大,薄弱环节减少,显著提高力学强度。钛酸钾晶须的力学性能与表观形态如表1和图1所示。

晶须增强聚丙烯的报道已有很多,硫酸钙晶须、碱式硫酸镁晶须增强PP都得到了很好的性能改善。近年来,钛酸钾晶须在用量最大的工程塑料尼龙中的应用得到了较多重视[2]。钛酸钾晶须尺寸小、强度高、而硬度低。这恰好弥补了玻纤和碳纤的缺点:增强塑料时模塑流动性差、对螺杆和模具磨损大、制品表面不光

收稿日期:2003Ο07Ο02

表1　钛酸钾晶须的性能参数

Tab.1　Properties of potassium titanate whiskers 性 能数 值

密度/g・cm-3 3.3

长度/μm10～40

直径/μm0.5～1.0拉伸强度/GPa7

拉伸模量/MPa280

熔点/℃1370

耐热温度/℃1

200

图1　晶须表观形态扫描电镜

Fig.1　SEM macrograph of potassium titanate whisker

第18卷　第1期中　国　塑　料Vol.18,No.1 2004年1月CHINA PLASTICS Jan.,2004

洁、滑动性不好等。而采用钛酸钾晶须对聚丙烯进行填充增强的报道在国内还鲜有见到。国外的S.C.Tjong 等[3]用邻钛酸四丁酯处理的钛酸钾晶须对聚丙烯进行增强,发现复合材料的拉伸强度、杨氏模量都随着晶须含量的增加而提高。但在含量达到10%以上,冲击强度却随着晶须含量的增加而不断降低。本文采用偶联剂对晶须进行表面处理的同时,加入马来酸酐接枝聚丙烯(PP 2g 2MAH ),以提高复合材料的力学性能。

1　实验方法

1.1　主要原料

钛酸钾晶须,沈阳金建公司;

聚丙烯,2401,燕山石化公司;

PP 2g 2MAH ,KHPP 2GMAH01,海尔科化;硅烷偶联剂,KH550、560,NDZ201、401,南京曙光化工厂。1.2　主要设备

扫描电镜,S 2450,HITACHI ;

同向双螺旋杆挤出机,SHL 235,上海化工机械四厂;

实验混合机,SHR 210A ,张家港市大江机械有限公司;

塑料注射成型机,SZ 2106/80NB ,宁波塑料机械总厂;

塑料冲击实验机,X J 2300,吴忠材料试验机厂;

机械式拉力试验机,LJ 2500A ,上海化工装备有限公司化工机械四厂;

电子万能试验机,CSS 21101,承德金建检测仪器制造厂。1.3　试样制备

试样的制备如图2

所示。

图2　试样的制备工艺

Fig.2　Sample preparation process

本实验中晶须的表面处理采用吕家桢[4]湿法对晶须进行偶联处理:偶联剂按一定质量分数溶于乙醇与蒸馏水配成的混合溶剂中,滴加醋酸调节溶液p H 值,预水解后滴加到钛酸钾晶须的蒸馏水的乳浊液中,快

速搅拌分散。得到的浆料经真空抽滤除去大部分水分,烘干后的晶须用高速搅拌机彻底打散待用。按照不同填充比例与聚丙烯进行共混、挤出,并测试力学性能。1.4　力学性能测试

依据G B1843—80测试悬臂梁缺口冲击强度;依据G B/T1040测试拉伸强度和断裂伸长率;依据G B9341测试弯曲强度和弯曲模量;

SEM 测试:将试样在液氮中冷却后脆断,断面进行真空喷金后进行SEM 分析。

2　结果与讨论

2.1　不同偶联剂对PP 力学性能的影响

对已增强成型的复合材料的断面形态进行分析,

表明在晶须填充量较高的情况下,材料的断裂由晶须与基体材料的相容性控制;在低填充量下,材料的断裂由基体的强度控制。要使高分子材料得到增强,一般需要较高的填充量。由此说明,解决好晶须与高分子复合材料的相容性是研究晶须增强高分子材料的一个关键问题。

表2　不同偶联剂处理的效果

Tab.2　Comparison of the effects of different cou pling agents

配　方

拉伸强度/MPa 弯曲强度

/MPa 缺口冲击强度/J ・m -1

纯PP

34.332.642.6未表面处理的晶须+PP 33.949.638.0KH550处理的晶须+PP 39.555.162.3KH560处理的晶须+PP 37.650.457.6PP 2g 2MAH +KH550

42.2

56.9

74.1

注:其中晶须含量为35%。

要使晶须真正起到增强作用,必须与基体树脂形

成良好的界面相互作用。偶联剂的加入可以改善填料与树脂的相容性。表2为纯聚丙烯以及用不同偶联剂处理的35%钛酸钾晶须增强聚丙烯复合材料的力学性能,偶联剂的用量为晶须的1.0%。未经偶联剂处理的晶须与聚丙烯复合后,材料的拉伸、冲击强度比纯聚丙烯都有下降,只有弯曲强度有一定的上升。硅烷偶联剂处理后的晶须增强聚丙烯,冲击强度、弯曲强度的提高作用明显,材料的拉伸强度也有提高,说明晶须与树脂的界面结合得到很好的改善。特别是马来酸酐改性的聚丙烯与硅烷偶联剂共同作用后,力学性能全面提高:拉伸强度提高23.0%,弯曲强度提高74.5%,缺口冲击强度提高73.9%。总体上看,对于钛酸钾晶须增强聚丙烯体系,KH 2550与PP 2g 2MAH 的处理效果较好。

对硅烷偶联剂作用机理的解释如下:钛酸钾晶须

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