增强聚丙烯是什么材质(长玻纤增强聚丙烯性能)

增强聚丙烯是什么材质

聚丙烯(PP)是通用热塑性塑料的主要品种之一,具有良好的综合性能,在汽车用塑料中的比例高达30%以上,但其在应用中存在强度低、尺寸稳定性差等缺陷,因而需要对PP进行增强改性。通过增强改性,可以扩大PP的应用范围,并能使PP的某些性能达到工程塑料的应用要求。

晶须和滑石粉复合增强PP

晶须一般为单晶结构,尺寸很小,其微观结构呈针状或纤维状,长径比较大,作为填充材料与PP共混改性时,可改变PP结晶行为,有明显的增强、增刚作用。而滑石粉是PP材料最通用的一种填料,滑石粉的加入可起到增强材料和降低生产成本的作用。

北京航天试验技术研究所等利用碱式硫酸镁晶须和滑石粉复合增强PP,制备了同时具有高尺寸稳定性和高力学性能的PP复合材料。

配方:

PP基体 64%;高抗冲共聚PP 10%;乙烯– 辛烯共聚物(POE) 5%;碱式硫酸镁晶须 15%;滑石粉 5%;抗氧剂1010 0.1%;抗氧剂168 0.2%;乙撑双硬脂酰胺(EBS) 0.5%;硬脂酸钙 0.2%。

注:以上均为质量分数。

制备

除晶须外,其余原料均在高速混合机中混合搅拌5min,之后在挤出机主喂料口加入,为保证晶须长径比,从挤出机侧喂料口加入进行造粒,挤出机从主喂料口到机头的温度为180~210℃。

性能

在该配方下制备的PP复合材料的熔体流动速率为29.4g/10min;密度为1.01g/cm3;拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹性模量分别为23.7、31.4、2576MPa,其中模量较只加20%滑石粉的复合材料提高了34.5%;缺口冲击强度为28.5kJ/m2,较只加20%滑石粉的复合材料提高了22.3%;洛氏硬度为68。

在该配方下制备的PP复合材料线膨胀系数相比纯PP下降了63.1%,成型收缩率为0.48%,接近或低于部分工程塑料( 如聚酰胺6收缩率为0.6%~0.8%,聚碳酸酯收缩率为0.5%~0.7%),可显著改善注塑制件翘曲、脱模困难或装配困难等问题。

增强聚丙烯是什么材质(长玻纤增强聚丙烯性能)

长玻纤增强聚丙烯性能

长纤维的保留长度大,使PP具有更好的刚性和耐蠕变性,且压缩强度、弯曲强度更高、冲击性能更好、使用温度更高。

湖北汽车工业学院等采用60mm长度的玻纤,通过开炼– 模压成型工艺制备了长玻纤增强PP复合材料。

配方

β 成核剂 0.2%;长玻纤(长度60mm,经浓度1%~2%偶联剂KH550 稀水溶液改性) 20%;马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM-g-MAH) 10%。

注:以上均为质量分数。

制备

采用开炼– 模压成型工艺。

(1)以开炼方式提高树脂与纤维之间的混合和浸润程度,降低纤维取向影响。

在155±5℃下,加入PP及各种助剂使其通过辊缝熔融,然后将辊距调至10mm,加入LGF 进行混炼,时间为15min,下片,得到预浸料。

(2)以模压方式增强材料的致密性,提高力学性能。

将冷却后的薄片预浸料多层叠放,然后将其放置到模压机中进行模压成型,温度为180±5℃,压强为4MPa,预热时间为15min,保压时间为7min,模压结束后在冷压机上进行保压冷却。

性能

制备的长玻纤增强PP的拉伸强度接近100MPa,弯曲强度达到90MPa,冲击强度达到70kJ/m2左右。

聚丙烯(PP)的运用范围十分广泛,但由于其力学性能不够优异,在工程上的应用受到了一定的限制。目前,最典型的力学性能改性方法是向聚丙烯中填充无机填料,如滑石粉、碳酸钙、高岭土、二氧化硅、碳纤维及ZnO等材料。

增强聚丙烯是什么材质(长玻纤增强聚丙烯性能)

1、碳酸钙增强增韧聚丙烯

碳酸钙在聚丙烯复合材料中最大的特性是增韧效果极好,能够极大程度地提高聚丙烯的冲击强度。

研究表明,微米级碳酸钙对聚丙烯冲击强度的提升效果要远远优于普通级碳酸钙,而当使用纳米级碳酸钙时,这种特性就更加凸显。

当纳米碳酸钙的添加量较少时,可使聚丙烯的拉伸模量提高85%,冲击强度提高300%。当在聚丙烯中填充高组份的纳米碳酸钙时,则聚丙烯的拉伸强度有小幅度的下降,但聚丙烯的冲击强度得到显著提升,并且聚丙烯的收缩率也有所降低。

此外,当PP复合材料中含有较多纳米碳酸钙时,其实际密度要低于理论密度,原因在于大量的纳米碳酸钙的加入导致粉体中的空气同样进入PP基体,造成PP复合材料中存在很多纳米级的空洞,这种空洞结构对材料弯曲模量的提升有益。

增强聚丙烯是什么材质(长玻纤增强聚丙烯性能)

2、纳米二氧化硅增强增韧聚丙烯

纳米二氧化硅是一种性能极其优异的无机改性填料,既能增强聚丙烯的拉伸强度,又能增强其冲击强度。并且在其用量极少的情况下,纳米二氧化硅的增强和增韧效果都要优于滑石粉和碳酸钙的增强增韧效果。

Y.Zhou等对比测试了滑石粉和纳米二氧化硅对聚丙烯改性效果的差异。研究发现仅添加5%纳米二氧化硅的聚丙烯的各项性能均要优于添加了40%滑石粉的聚丙烯。

纳米二氧化硅同时提高了聚丙烯的拉伸模量和屈服强度,提升比例分别为90%和5%。而滑石粉却仅对屈服强度有提升效果,不能提高拉伸模量。尽管滑石粉的填充量比纳米二氧化硅的高8倍,但试验表明滑石粉的增韧效果仍旧弱于纳米二氧化硅的增韧效果。

增强聚丙烯是什么材质(长玻纤增强聚丙烯性能)

3、碳纤维填料增韧聚丙烯

上述介绍的无机填料均为粉体,但实际上,非粉末状的无机填料在PP改性中也得到充分应用,比如碳纤维和玻璃纤维。

这类纤维材料在单独作为填料使用时有较大的缺陷,对复合材料的机械性能和耐热性产生不利作用。因此,为了提升纤维-聚丙烯复合材料的力学性能以及耐热性,通常另外添加纳米无机颗粒来实现这种目的。

M.H.Gabr等研究了纳米黏土对碳纤维-聚丙烯复合材料的影响。当纳米黏土的填充量为3%时,复合材料的起裂韧度和传播断裂韧度能分别提升64%和67%。对断裂样件进行电镜扫描,结果显示在聚丙烯基体中分散良好的纳米黏土颗粒,能显著提高碳纤维与聚丙烯的界面相互作用。

在断裂过程中,如果碳纤维被光滑地剥离出聚丙烯基体,则吸收能量较少。当添加少量纳米黏土后,被剥离出的碳纤维表面还沾有部分的聚丙烯,意味着纳米黏土较好的改善了碳纤维和聚丙烯基体间的界面相互作用。

4、复合无机填料增韧聚丙烯

众所周知,滑石粉可以实现对聚丙烯强度、刚度、尺寸稳定性和结晶度的提升,但对聚丙烯其他性能有不利影响,比如冲击强度和可变形性。而碳酸钙却恰恰以拉伸强度为代价,提升聚丙烯的冲击强度和可变形性。因此,综合利用两种无机填料独特的优势,可达到无机填料复配共混的协同效应。

Y.W.Leong等采用滑石粉和碳酸钙来配制复合无机填料,并研究两种填料的配比对聚丙烯力学性能的影响。结果表明,尽管两种填料共同作用,但各自基本功能不受干扰,即滑石粉主要决定了聚丙烯的拉伸性能和弯曲性能,而碳酸钙主要决定了聚丙烯的冲击性能。

因此,在粉体添加量一定时,滑石粉的含量越多,聚丙烯复合材料的拉伸强度和拉伸模量就越大,弯曲强度和弯曲模量也相应增大。而碳酸钙的含量越多,聚丙烯复合材料的冲击性能就越好。当滑石粉和碳酸钙比例相同时,协同效应最为明显,此时聚丙烯复合材料的弯曲强度和冲击强度最大,综合性能更优良。

近年来,刚性无机填料突破了使用单一材料的方法,选择混合两种或几种传统刚性无机填料,实现技术上的创新和复合材料性能上的突破。对于无机材料的改性方式同样不局限于一种,而是针对无机填料的特性,使用多种改性剂并采用多种改性方式,充分发挥无机填料的各项性能。

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