玻璃纤维_聚丙烯复合材料界面研究.pdf
文章编号：1005-0299（2000）02-105-03玻璃纤维/聚丙烯复合材料界面研究刘立洵，李俊伟，张志谦，黄玉东（哈尔滨工业大学 应用化学系，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：采用!射线预辐照固相接枝和偶联剂分别对聚丙稀粉粒（PP）和玻璃纤维（GF）进行表面改性.研究接枝 PP 在基体中的含量、玻璃纤维经偶联剂处理对复合材料层间剪切强度（ILSS）、拉伸强度的影响.通过SEM 对复合材料的拉伸断口进行了分析.关键词：聚丙烯；玻璃纤维；表面；界面；复合材料中图分类号：TB332文献标识码：AInterface of glass fiber/polypropylene compositesLIU Li-xun，LI Jun-wei，ZHANG Zhi-gian，HUANG Yu-dong（Department of Appiied Chemistry，Harbin Institute of Technoiogy，Harbin 150001，China）Abstract：Surface of PP powder and short giass fiber is modified with Gamma rays preirradiation in soiid state andcoupiing agents.Effect of content of grafted PP in the matrix and the modification of giass-fiber with coupiing agentson ILSS and tensiie strength of giass fiber/poiypropyiene composites are studied，Meanwhiie，the tensiie fractrue ofthese composites is anaiysed by SEM.Key words：poiypropyiene；giass fiber；surface；inkterface；composite聚丙烯（PP）是低成本、性能优异用途广泛的工程塑料，但作为复合材料的基体时，由于熔体对玻璃纤维浸润性差，界面粘结强度低，影响热塑性复合材料性能的发挥，而限制该材料的应用.为了提高界面粘结强度、采用预辐照方法在 PP 粉粒表面固相接枝了马来酸酐，按一定比例加入 PP 基体中，同时对玻璃纤维表面分别进行二种不同浓度的偶联剂处理.并采用悬浮沉积方法制备 GF/PP毡状片材料（GMTS），层叠一定厚度，通过模压工艺制备 GF/PP 复合材料1.研究了界面改性前后对 GF/PP 复合材料层间剪切强度、拉伸强度的影响.同时还对拉伸断口进行了扫描电镜分析，表明在 PP 基体中加入接枝 PP 和对 GF 进行偶联剂处理.可明显提高 GF/PP 复合材料界面粘结强度和拉伸强度2.收稿日期：1999-10-11作者简介：刘立洵（1962-），女，工程师.1实验部分1.1PP 预辐照固相接枝PP 经剂量为 20kGy!射线预辐照后，放入4moi/L 马来酸酐溶液中反应 20 min，水冲洗后经丙酮洗涤去除未反应物和均聚物.1.2GF 表面偶联剂处理A151 和 A1120 分别配成 1%的乙醇溶液，润湿 GF20 C干燥 30 min 后 110 C处理 10 min.1.3GMTS 制备将经过偶联剂处理的 GF 切成 10 mm 长的短纤维按比例称取 PP 和接枝 PP、分别放入悬浮沉积机中分散，放出水分散液后使 GF 和 PP 粉均匀沉积在不锈钢网上，室温自然晾干后，100 C干燥10 min.1.4GF/PP 复合材料制备将 GMTS 叠层一定厚度入模具中，合模后在压机上升温至 190 C保温 7 min，0.7 MPa 压力成型；自然降温脱模，供测试用.第 8 卷第 2 期材料科学与工艺Voi.8No.22 0 0 0 年 6 月MATERIAL SCIENCE&TECHNOLOGYJun.20002结果与讨论2.1接枝 PP 对 GF/PP 复合材料界面的改性非极性的 PP 对 GF 表面浸润性差，分子间相互作用的弱范德华力使得界面粘结强度低.用马来酸酐接枝改性的 PP 是在 PP 大分子上引入了极性基团，因此，接枝 PP 的加入可提高 GF 对 PP 的浸润性和界面层分子间的相互作用，使得界面粘结强度提高，如图 l 所示.图 lGF/PP ILSS（!b）与接枝 PP 加入的关系Fig.lReiation between ILSS of GF/PP and content of grafted PP加入的改性 PP 的接枝率为 0.88%.可见，基体 PP 中加入 5%的接枝 PP 即可使 GF/PP 复合材料的层间剪切强度提高 20%.接枝 PP 的加入量继续增加，层间剪切强度也随之增加.在复合材料成型时，熔融的接枝 PP 与 GF 分子间作用力增加3，提高了界面强度.即使是加入少量的接枝 PP，也可对界面改善起到明显作用.2.2偶联剂及接枝 PP 对 GF/PP 复合材料界面的改性GF经偶联剂处理，可更好地发挥接枝 PP 的作用4.GF 不处理及分别经 Al5l、All20 处理后加入接枝 PP 对复合材料层间剪切强度的影响，如表 l 所示.表 1偶联剂及接枝 PP 加入量对 GF/PP 的（!b）的影响Table 1Effect of coupling agent and grafted PP on ILSS ofGF/PPGF 处理!b/MPa!（PP）/%05l0l520不处理l0.40l2.00 l2.34l2.34Al5ll3.27 l3.63 l3.95All20ll.70l5.08l5.60 l5.89GF 分别经 Al5l、All20 处理均有改善界面性能的作用，二者相比较，All20 处理，在接枝 PP 加入后层间剪切强度提高显著.这是由于 GF 经All20 处理后在 GF 表面上引入的氨基官能团与接枝 PP 中的酸酐官能团反应生成了跨越界面的化学键5，从而使界面粘结强度提高.All20 处理的 GF，接枝 PP 加入 5%时可使ILSS显著提高，但随加入量的增加，ILSS 提高缓慢.这可能是由于 GF 表面偶合的聚硅氧烷与氨基形成的酰胺基会对邻近的氨基有空间位阻作用.因此接枝酸酐的 PP 继续增加，不会使界面化学键数目提高，所以 ILSS 提高不明显.2.3界面改性对 GF/PP 复合材料拉伸强度的影响GF/PP 复合材料是由毡状片材压制而成，纤维是随机取向的.当受载荷作用时，载荷直接作用到基体上，然后通过纤维和基体的界面传递到纤维上去6，可见界面的粘结质量将对拉伸强度产生重要的影响.表 2 是不同界面粘结强度的 GF/PP 复合材料的拉伸强度.可以看出，界面的改善使材料的拉伸强度明显提高.界面强度的提高是由 GF 表面与 PP 成型时熔体浸润性提高及界面作用力的加强所致7，然而，a、b 的 GF 都是不经过处理的，但b 中加入 20%接枝 PP 可使基体的极性提高，拉伸强度提高 33%.特别是 e、f 不但 GF 经过偶联剂处理，而且基体中加入了 20%的接枝 PP，使得 e靠 GF 表面引入的烃基基团与基体之间的扩散缠绕使界面作用力增强.而 f 是接枝酸酐的 PP 与GF 表面氨基之间化学键合，因此拉伸提高幅度最大.表 2不同界面结合的 GF/PP 复合材料的拉伸强度Table 2Tensile strength of GF/PP composite with differentinterfacial bonding characteristics编号GF 处理!（PP）/%b/MPaa不处理030.7b不处理2040.8cAll20034.4dAl5l046.0eAl5l2047.0fAll202057.l从图 2（a）通过对拉伸断口的扫描电镜照片的对比可以看出 GF 是从基体中拔出的、GF 表面60l材料科学与工艺第 8 卷光滑呈脱粘破坏，而 f 界面的破坏是界面层 PP 内聚破坏，GF 表面附着较厚的 PP 树脂这是界面层化学键合而具有的界面作用的结果（见图 2（b）.图 2GF/PP 拉伸断口形貌（a）样品 a（b）样品 bFig.2SEM photograph of GF/PP after tensiIe fracture3结论（1）在基体 PP 中加入接枝 PP 和 GF 表面经偶联剂处理可改善 GF/PP 的界面粘结.当加入20%的接枝 PP 可使 GF/PP 的层间剪切强度提高20%，拉伸强度高 80%；（2）界面改性前后的拉伸断口形貌不同，改性前呈脱粘破坏，改性后是树脂层内聚破坏.参考文献：1 董永琪.GMT 进展 J.纤维复合材料，1996，13（1）：43-48.2 JAN S Z.GMT brcaks through in automotiue structuraIparts J.Rcinf-orccd PIastics，1992，36（4）：36-39.3 CHANG R M.Interphase of GF/PP composites J.J Ap-pI PoIym Sci，1994，54（1）：73-82.4 WCUS J K.Dcbonding and puII-out procss in fibrous com-posi-tes J.J.Mat.Sci.，1985，20（4）：1275-1284.5 张去灿.玻璃纤维增强 PP 性能界面及基体晶态研究 J.复合材料学报，1994，11（2）：97-105.6 FAVIS B D.The interface of cetionic siIane coupIing agentwith mice J.J.AppI.PoIym.Sci.，1983，28（3）：1235-1244.7 CHIANG C H，KOEING J I.Fourier transform inraredspectroscopic study of the adsorption of muItipIe aminosiIanc coupIing agents on gIass surfaces J.J.CoII.In-torfac.Sci.，1981，83（2）：361.（责任编辑：张积滨）701第 2 期刘立洵，等：玻璃纤维/聚丙烯复合材料界面研究玻璃纤维/聚丙烯复合材料界面研究玻璃纤维/聚丙烯复合材料界面研究作者：刘立洵，李俊伟，张志谦，黄玉东，LIU Li-xun，LI Jun-wei，ZHANG Zhi-qian，HUANG Yu-dong作者单位：哈尔滨工业大学,应用化学系,黑龙江,哈尔滨,150001刊名：材料科学与工艺英文刊名：MATERIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：2000,8(2)被引用次数：9次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.CHIANG C H;KOEING J I Fourier transform inrared spectroscop ic study of the adsorption ofmultiple amino silanc coupling agents on glass sur faces 1981(02)2.FAVIS B D The interface of cetionic silane coupling agent wi th mice 1983(03)3.张去灿 玻璃纤维增强PP性能界面及基体晶态研究 1994(02)4.WCUS J K Dcbonding and pull-out procss in fibrous composi-tes 1985(04)5.CHANG R M Interphase of GF/PP composites 1994(01)6.JAN S Z GMT brcaks through in automotiue structural parts 1992(04)7.董永琪 GMT进展 1996(01)本文读者也读过(1条)本文读者也读过(1条)1.张志谦.龙军.刘立洵.金政.王卓 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料界面改性研究期刊论文-宇航材料工艺2002,32(4)引证文献(9条)引证文献(9条)1.陆建刚.陈敏东.徐建强.宋园园 溶液环境中疏水性聚丙烯膜结构性能的变化期刊论文-南京理工大学学报（自然科学版）2009(6)2.阮文红.章明秋.王明辉.容敏智 硫酸铝废渣在聚丙烯填充改性中的应用研究期刊论文-材料研究与应用2008(4)3.陈平.陆春.于祺.李俊燕 纤维增强热塑性树脂基复合材料界面研究进展期刊论文-材料科学与工艺2007(5)4.陈大为 玻璃纤维的表面改性及梯度玻纤增强复合材料研究学位论文硕士 20065.李春.李运德.黄哲龙.刘军.刘淑英 砼烷偶联剂改性环氧玻璃鳞片涂料期刊论文-广东建材 2005(9)6.姚瑜.张军.王晓琳.温建志 聚丙烯固相接枝物的应用研究进展期刊论文-合成材料老化与应用 2005(2)7.袁毅 在复合应力场下获取高性能凝聚态结构的聚烯烃管材的研究学位论文博士 20058.杨俊.蔡力锋.林志勇 增强树脂用玻璃纤维的表面处理方法及其对界面的影响期刊论文-塑料 2004(1)9.许晓东.董祥忠.董毅.莫健华 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料研究进展期刊论文-合成树脂及塑料 2004(1)本文链接：http:/
