全 文 ：第 38卷第 8期
2010年 8月
塑料工业
CHINAPLASTICSINDUSTRY
＊贵州省科技攻关资助项目 ([ 2009] 3010) ＊＊联系人 luozhu2000@sina.com
作者简介:陈兴江 , 男 , 高级工程师 , 主要从事聚合物材料共混改性研究。
马来酸酐接枝聚丙烯与成核剂提高聚丙烯 /滑石粉
复合材料性能的研究＊
陈兴江 1 , 罗 筑 2, ＊＊ , 刘一春 2 , 樊泽东 2 , 吴建军 3
(1.贵州科学院 , 贵州 贵阳 550001;2.贵州大学材料强度与结构重点实验室 , 贵州 贵阳 550003;
3.驻江津地区军事代表室 , 重庆 402264)
摘要:分别考察了马来酸酐接枝聚丙烯 (PP-g-MAH)、 成核剂以及这两种不同改性机制的改性剂复配对聚丙烯 /
滑石粉 (PP/Talc)复合材料力学性能和热性能的影响 , 结果表明:PP-g-MAH和 α成核剂均能提高 PP/Talc复合材料
的强度 、 刚度和热变形温度 , 但随着改性剂含量的增大 , 这些性能都存在最大值或极限值;而且 PP-g-MAH使复合材
料的断裂伸长率明显降低 , β成核剂可显著提高复合材料的冲击韧性和断裂伸长率 , 马来酸酐接枝聚丙烯与 α成核剂
复配对复合材料强度 、 刚度和热变形温度的改善具有协同性 , 且保持较高的断裂伸长率 , 马来酸酐接枝聚丙烯与 β成
核剂复配可获得更好的综合力学性能。
关键词:马来酸酐接枝聚丙烯;成核剂;共混;力学性能;热变形温度
中图分类号:TQ325.1 +4 文献标识码:A 文章编号:1005-5770 (2010) 08-0059-04
StudyonImprovementofMechanicalPropertiesofPP/TalcCompositebyPP-g-MAH
andNucleatingAgent
CHENXing-jiang1 , LUOZhu2 , LIUYi-chun2 , FANZe-dong2 , WUJian-jun3
(1.GuizhouSciencesAcademy, Guiyang550001, China;
2.GuizhouKeyLaboratoryforMechanicalBehaviorandMicrostructureofMaterials, GuizhouUniversity, Guiyang550003, China;
3.JiangjinAreaMilitaryRepresentativeOfice, Chongqing402264, China)
Abstract:TheefectsofPP-g-MAH, nucleatingagent, andthecomplexsystemofthetwoontheme-
chanicalpropertiesandheatpropertyofPP/Talccompositewereresearchedrespectively.Resultshowedthat
thestrength, rigidityandheatdistortiontemperatureofthePP/Talccompositematerialcouldbeimprovedby
PP-g-MAHorαnucleatingagent.Thereweremaximumorextremevaluesofmechanicalpropertiesofthecom-
positewiththeincreaseofthemodifierrespectivelyandelongationatbreakofthecompositematerialdecreased
withcontentofPP-g-MAHincreasing.Whenaddingβ nucleatingagent, theimpactstrengthandelongationat
breakincreasedsignificantly.ThesynergisticefectofcomplexsystemofPP-g-MAHandαnucleatingagent
onimprovingstrength, rigidityandheatdistortiontemperatureofthecompositematerialwasfoundandthe
elongationatbreakwasholdatarelativelyhighlevel.Betercomprehensivemechanicalpropertieswere
obtainedbythecomplexsystemofPP-g-MAHandβ nucleatingagent.
Keywords:PP-g-MAH;NucleatingAgent;Blending;MechanicalProperties, HeatDistortionTempera-
ture
聚丙烯 (PP)作为通用聚合物材料可在较大范围
内通过改性调整其性能 , 满足不同的使用要求 。刚度
和热变形温度的相对不足是通用塑料的共性问题 , 提
高聚丙烯刚度和热变形温度的主要方法有纤维增强 ,
无机填充 , 控制结晶状态等 , 这些方法皆有大量文献
报道[ 1-3] 。纤维增强降低了制品的表面质量 , 使材料
断裂伸长率大幅降低 , 因此在一些使用场合受到限
制;通过使用无机粉体 、 马来酸酐接枝物 、成核剂来
改善材料性能已取得了很多成果 [ 4-5] , 而对改性效果
进行比较以及改性剂产生协同性的研究报道较少 , 尤
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塑 料 工 业 2010年
其应注重获得良好的综合力学性能。本文对马来酸酐
接枝聚丙烯 、 α成核剂和 β成核剂对聚丙烯 /滑石粉
复合材料的改性效果进行了对比 , 并在此基础上通过
改性剂的复配考察它们对聚丙烯改性的协同作用 , 兼
顾复合材料的韧性和塑性 , 较大幅度地提高复合材料
的强度 、刚度 、 热变形温度。
1 实验部分
1.1 主要原料及仪器设备
聚丙 烯:T30S, 独山子石化 公司;滑 石粉
(Talc):RB510, 3 000目 , 辽宁海城精华微粉厂;
马来酸酐接枝聚丙烯 (PP-g-MAH):9801, 上海日
之升新技术发展有限公司;钛酸酯型偶联剂:NDZ-
311, 南京曙光化工集团有限公司;α成核剂:NA-3,
上海稚嵩化工有限公司;β成核剂:TMB-5, 山西化
工研究院。
同向双螺杆挤出机:TSE-40型 , Υ40, L/D为
44 /1, 南京瑞亚高聚物装备有限公司;注塑机:
CJ80MZ-NCⅡ型 , 广东震德塑料机械厂有限公司;电
子万能试验机:WDW-10C型 , 上海华龙测试仪器公
司;摆锤冲击试验机:ZBC-4B型 , 深圳市新三思计
量技术有限公司;万能制样机:ZHY-W型 , 深圳市
新三思计量 技术有限公司;扫描电子显 微镜
(SEM):KYKY-2800B型 , 北京中科科仪技术发展有
限责任公司;热变形温度测试仪:RRHDV4型 , 英
国 RAY-RAN公司 。
1.2 试样制备
1.2.1 滑石粉表面偶联处理
将超微细滑石粉 RB510放到烘箱里 , 在 200 ℃
烘 5 ～ 8 h后准确称取一定质量的滑石粉放于高速混
合机中 , 然后加入 0.5%的偶联剂 NDZ311, 在 80 ℃
下高速搅拌 8 min。
1.2.2 复合材料样条制备
按配方称取 PP、经处理的滑石粉及所需改性剂 ,
混合均匀 , 在双螺杆挤出机上挤出造粒 , 加工温度
215℃, 下料转速 25r/min。将挤出的粒料在 90℃温
度下干燥 8h, 然后在注射机上注射制样 , 注射温度
225℃, 注射压力 65%, 冷却时间 25s。
缺口冲击样条制备:注射制得的样条在万能制样
机上制得 V型缺口 , 缺口深度为 2.5 mm、 缺口尖角
半径为 0.25mm。
1.3 性能测试
按 ISO179— 1996进行 Izod冲击实验;分别按
ISO527-1— 1993、 ISO178— 1993测试拉伸性能 、 弯
曲性能;按 ISO75-1— 1993、 ISO75-2— 1993测定热
变形温度 , 负荷 1.86 MPa;用 SEM观察共混物结
构:在进行 SEM分析前 , 将试样放入液氮中的试样
取出后迅速脆断 , 表面喷金处理。
2 结果与讨论
2.1 PP-g-MAH对 PP/Talc复合材料的改性
图 1 PP-g-MAH含量与拉伸性能关系
Fig1 ContentofPP-g-MAHvs.tensilestrength
图 2 PP-g-MAH含量与弯曲模量 、 缺口冲击强度关系
Fig2 ContentofPP-g-MAHvs.flexuralmodulus, notched
impactstrength
图 3 PP-g-MAH含量与热变形温度的关系
Fig3 ContentofPP-g-MAHvs.heatdistortiontemperature
确定 PP/Talc质量比为 70/30 , 考察 PP-g-MAH
的含量对材料性能的影响 。酸酐基团与滑石粉表面含
氧基团 、 偶联剂 NDZ311的极性基团产生亲和力 ,
PP-g-MAH的加入使得基体树脂 PP与滑石粉之间的
界面黏结得到了改善 。由图 1 ～ 3可以看出 , 加入
PP-g-MAH, 材料的拉伸强度 、 弯曲模量 、 热变形温
度和缺口冲击强度都有较大的提高 , 随着接枝物含量
的增加 , 材料的力学性能出现 “峰 ” 值 , PP-g-MAH
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第 38卷第 8期 陈兴江:马来酸酐接枝聚丙烯与成核剂提高聚丙烯 /滑石粉复合材料性能的研究
为 10%至 12%时有较好的改性效果 , 拉伸强度由 31
MPa提升至 37MPa;弯曲模量由 2.2 GPa提升至 3.1
GPa;热变形温度由 90 ℃提升至 105 ℃, 缺口冲击
强度由 3.5 kJ/m2提高至 6kJ/m2 , 但断裂伸长率明显
降低。当 PP-g-MAH超过 12%, 材料性能有所下降 ,
这与 PP-g-MAH自身的脆性有关 。
a-0%PP-g-MAH b-5%PP-g-MAH
c-12.5%PP-g-MAH
图 4 不同 PP-g-MAH含量的 PP/Talc(70/30)
SEM照片 (×2 000)
Fig4 SEMphotosofPP/Talc(70/30)compositemodifiedby
diferentcontentofPP-g-MAH(×2 000)
图 4为复合材料的 SEM照片 , 虽然经 NDZ311处
理 , 当 PP中不加 PP-g-MAH时 , Talc在 PP基体中仍
有一定程度的团聚 , 随 PP-g-MAH加入量的增大 , 逐
步分散均匀 , 且界面变得模糊 , PP-g-MAH在 PP/Talc
的复合体系中起到了高分子偶联剂的作用 [ 6] , 通过消
除团聚降低应力集中 , 提高 Talc的比表面积 , 使材料
性能 , 尤其是弯曲模量和热变形温度明显提高。
2.2 α成核剂和 β成核剂对 PP/Talc复合材料的
改性
α成核剂可提高 PP的结晶度 , β成核剂可发展
六方晶系 β晶型 , 形成独特的束状晶片 [ 7] 。成核剂
对 PP/Talc复合材料的改性效果如图 5 ～ 7所示。其
中 , α成核剂对复合材料拉伸强度 、 弯曲模量 、热变
形温度的影响更为显著 , 如 0.1%的加入量使拉伸强
度提高至 34 MPa、弯曲模量提高至 2.8GPa, 热变形
温度提高至 108℃, 但材料的冲击韧性略有降低;β
成核剂则大幅度提高了材料的断裂伸长率和冲击韧
性 , 0.1%的加入量使断裂伸长率由 30%提高至
85%, 缺口冲击强度由 3.5kJ/m2提高至 7kJ/m2 , 但
材料的弯曲模量略有降低 。α和 β成核剂加入量超过
0.1%, 材料性能不再进一步提高 。
图 5 成核剂含量与拉伸强度 、 断裂伸长率的关系
Fig5 Contentofnucleatingagentvs.tensilestrengthand
elongationatbreak
图 6 成核剂含量与弯曲模量 、 缺口冲击强度的关系
Fig6 Contentofnucleatingagentvs.flexuralmodulusand
notchedimpactstrength
图 7 成核剂含量与热变形温度的关系
Fig7 Contentofnucleatingagentvs.heatdistortion
temperature
与 PP-g-MAH的改性效果相比较 , α成核剂不
仅提高了材料的刚度和热变形温度 , 而且保持了较
高的断裂伸长率;β成核剂则对材料的韧性和塑性
有较大的改善作用 。随着改性剂含量的增加 , 性能
存在极限值或最大值 , 在拉伸强度和弯曲模量方
面 , PP-g-MAH改性后的性能极限值或最大值高于 α
成核剂 。
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塑 料 工 业 2010年
2.3 α成核剂 、 β成核剂对 PP/Talc/PP-g-MAH体系
的改性
确定 PP/Talc质量比 70/30, PP-g-MAH的质量分数
为 10%, 在 PP/Talc/PP-g-MAH体系中加入 α成核剂或
β成核剂 , 改变这两个成核剂的用量 , 考察它们与 PP-g-
MAH这种不同改性机制的组分复配对 PP/Talc复合材料
的综合改性效果 , 结果如图 8 ～ 10所示。
图 8 成核剂含量与拉伸强度 、 断裂伸长率的关系
Fig8 Contentofnucleatingagentvs.tensilestrengthand
elongationatbreak
图 9 成核剂含量与弯曲模量 、 缺口冲击强度的关系
Fig9 Contentofnucleatingagentvs.flexuralmodulusand
notchedimpactstrength
图 10 成核剂含量与热变形温度的关系
Fig10 Contentofnucleatingagentvs.heatdistortion
temperature
根据图 8 ～ 10, 再结合图 5 ～ 7, 可以看出 , α成
核剂与 PP-g-MAH复配对材料强度 、 刚度 、 热变形温
度的改善具有明显的协同性 , 与单独使用 α成核剂
或 PP-g-MAH改性相比 , 复合材料的性能有了进一步
提升:拉伸强度提高到 39 MPa、 弯曲模量达到 3.5
GPa, 热变形温度达到 119 ℃, 且保持较高的断裂伸
长率;但缺口冲击强度有所降低。 β成核剂与 PP-g-
MAH复配时 , 在获得较高的强度 、 刚度 、 热变形温
度的基础上 , 缺口冲击强度提高至 8 kJ/m2 , 得到了
更好的综合力学性能 。
3 结论
具备不同改性机制的 PP-g-MAH和 α成核剂均能
提高 PP/Talc复合材料的强度 、 刚度和热变形温度 ,
但 PP-g-MAH使 PP/Talc的断裂伸长率明显降低 。 β
成核剂可显著提高 PP/Talc的冲击韧性 、 断裂伸长率
和热变形温度 , 但降低 PP/Talc的弯曲模量。 α成核
剂与 PP-g-MAH复配 , 对复合材料强度 、 刚度和热变
形温度的改善具有协同性 , 且保持较高的断裂伸长
率 。 β成核剂与 PP-g-MAH复配 , 可获得更好的综合
力学性能。
参 考 文 献
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(本文于 2010-04-08收到)
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