PP纳米碳酸钙复合材料在汽车工程塑料中的应用.pdf
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1、一!童童墨全竺塑垫查奎垦竺苎全兰查!:!:!二!P P 纳米碳酸钙复合材料在汽车工程塑料中的应用吴锡忠,沈玉海(南京金杉汽车_ 程塑料有限责任公司南京2 1 0 0 2 9)摘要:采崩不同的工艺、配方制备了聚丙烯纳米碳酸钙和聚丙烯纳米碳酸钙弹性体复台材料,比较了加工工艺、配方对复合材料性能的影响。结果表明崩自制的钝化剂和超高速搅拌的方法,采用母较化工艺,以8 3 0 3 为基体树脂,纳米碳酸钙的含量为4 时,所得复合材料的综合性能最佳。关键词:纳米粒子改性聚丙烯汽车工程颦料T h e A p p l i c a t i o no f P P n a n o-C a C 0 3c o m p o
2、 s i t ei nA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n gP l a s t i c sW UX i Z h e n g,S H E Ny u-h a l心a n j t n gJ i n s h a nA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n gP l a s t i c sC o,L t d,N a n j i n g2 1 0 0 2 9)A b s t r a c t:P P n a n o-C a C 0 3a n dP P n a n o-C a C O s P O Ew e l em a d et h
3、 r o u g hd i f f e r e n tp r o c e s s e s T h ep r o p e r t i e so fP P n a n o C a C 0 3m a t r i xw i t hv a r i e dc o n t e n t sw a ss t u d i e d T h er e s u l t ss h o w e dw h e nt h ec o n t e n to fn a o o C a C 0 t r e a t e dw i t hc o u p l i n ga g e n tw a s4 t h ep r o p e r t i
4、 e so f t h eP P n a n o C a C 0 3c o m p o s i t eW a St h eb e s tK e yw o r d s:n m l o C a C 0 3;P P;a u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gp l a s t i c s前言纳米材料是指一维或二维尺寸小于1 0 0 纳米的材料,它的粒径小,比表面积大,由于量子效应和表面效应,纳米材料的物理、化学性能、电性能较微米级的材料都有很大的差别。自1 9 8 7 年日本丰田材料研究中心首次制备了尼龙纳米复合材料以来,纳米复合材料以其优异的性能引起了人们的关
5、注。目前纳米材料的种类很多,就无机填料而言,有纳米蒙脱土、纳米二氧化钛、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙等。其中纳米碳酸钙因来源广,价格便宜,在塑料改性中应用较多。据估计,发达国家1 9 9 9 年纳米碳酸钙在塑料制晶申的消耗量达到了2 0 0 K T,我国的用量较少,仪为1 2 K T。聚丙烯由于综合性能优异,获得了广泛的应用。但它的韧性不好,当把它用于汽车保险杠时,必须对其进行增韧改性。传统的改性方法是用弹性体增韧,这种工艺己比较成熟。它的主要缺点是加工性能差,流动性能不好,成本较高。产品强度不好,而且要用大量的的外汇进口弹性体。而用刚性的纳米材料增韧聚丙烯,可在增韧的同时,提高聚丙烯的刚性和流动
6、性,成本也不高,且不需要耗用外汇。刚性粒子增韧聚丙烯的机理是:由于刚性粒子的加入,使聚丙烯机体的应力集中发生了改变,将刚性粒子简化为球形,那么在拉伸应力场中,变形的初始阶段(界面脱粘前),基体对填料的作用力在两极为拉应力,在赤道上为压应力,而在赤道附近,基体也会受到填料的压力。刚性粒子的加入,使聚丙烯在受到冲击时,在刚性粒子周围产生了应力集中,易引起基体树脂产生微开裂,吸收一定的变形功。同时刚性粒子的存在,使基钵树脂微裂纹的扩展受阻和钝化,不至于发展成破坏性的开裂。但是由于碳酸钙和聚丙烯的相容性;好,当碳酸钙的粒径较大(达到1 0 微米以上时)时,它和聚丙烯的界面在受力时会脱粘,使微裂纹扩大为
7、宏观的裂纹,反而降低材料的韧性。有学者提出,许多通常在熔融状态下不相容的物质组份,在纳米尺度下具有一定的相容性。纳米碳酸钙由于粒径极小,表面积很大,表面有来结晶的非对称原子,使纳米碳酸钙具有很高的活性,可以和聚丙烯基体形成很好的粘接界面。1 实验1 1 主要原材料聚丙烯8 3 0 3 北京燕山石化有限公司;聚丙烯1 9 1 进口;K 7 7 2 6 北京燕山石化有限公司;纳米碳酸钙(6 0 9 0 纳米)上海华明:钝化剂,自制1 2 实验工艺纳米粒基体树子表面处理母粒f+混合挤出造粒计量、测试、包装月目一2 1 52 0 0 5 年南京复合材料技术发展研讨套论文1 3 涓试与裹征测试用试条用z
8、-8 0 0 型注射成型机注塑成型,然后用H Y-W 型万能制样机制得,注塑时料筒温度为1 8 0 C、1 9 0。C、1 8 59 C,注射压力为3 0、4 0、6 0。冲击强度用X J 3 0 0 A 型冲击实验机按G B l 8 4 3 8 6 测试,拉伸强度和断裂伸长率用X L L 2 5 0 型拉力实验按G B l 0 4 0 9 2 测试,弯曲弹性模量和弯曲强度用C M T 4 3 0 3型电子万能实验机按G B T 9 3 4 1 测试,熔体流动速率用X R L 5 0 0 C 型熔体流动速率测试仪按G B T 3 6 8 2测试。2 结果与讨论2 1 搅拌工艺对复合材料性能的影
9、响、表1 搅拌工艺对复合材料性能的影响熔体流动速率冲击强度弯曲弹性模量弯曲强度搅拌方法g,1 0 m i nK J,m M p aM P a塑料捏合机4 3 91 6 1 41 0 1 22 8,3 7高速搅拌机4 9 62 0 7 59 6 12 7 2 4打粉机54 43 l 8 39 3 72 7 2 6从袁1 中可以发现,用打粉机高速搅拌,所得材料的冲击强度最大,同时流动性最好,弯曲弹性模量最低,用塑料捏合机搅拌制得的复合材料,冲击强度最低,弯曲弹性模量最高,用高速搅拌机搅拌制得的材料,性能介于两者之间,而它们的转速从高至低依次为:打粉机 高速搅拌机 塑料捏合机。纳米碳酸钙的粒径很小,
10、比表面积很大,极易发生团聚,使碳酸钙的实际粒径变大,严重时能达到微米级。由于打粉机的转速较高,可以有效的防止纳米碳酸钙在搅拌过程中团聚,或将部分已团聚的纳米粒子打散,当填充量较少时,纳米碳酸钙的团聚作用不明显,可以认为绝大多数呈纳米级分散于基体中,经双螺杆强烈的剪切作用,它与聚丙烯基体基体间形成了物理的和化学的粘接。有较好的结合力。这种结构,一方面降低了聚丙烯的缠结密度,使其流动性变好,另一方面使其冲击性能提高。而用塑料捏合机搅拌,由于它们的转速较低,不能将己团聚碳酸钙打散,碳酸钙粒径已增大,甚至能达到微米级的,因此它对聚丙烯性能的影响同微米级碳酸钙的并无明显差别,它没有明显的增韧效果。2 2
11、 基体树膈对材料性能的影响表2 基体树脂对复合材料力学性能的影响基体树脂冲击强度K I m 2弯曲弹性模量M P a弯曲强度M P a8 3 0 33 1 8 39 3 72 7 2 61 9 11 8 4 88 l O2 2 2 17 7 2 64 2 01 0 0 72 7 0 5从表2 中可阻看出,以8 3 0 3 作基材,冲击强度远高于1 9 l 和7 7 2 6 作基体的,弯曲模量也较高,综合性能最好。8 3 0 3 是乙烯、丙烯共聚物,本身的冲击强度高,流动性差。而纳米碳酸钙增韧聚丙烯时,聚丙烯基体的冲击强度越高,增韧效果越明显。且纳米碳酸钙和聚乙烯的相容性要好于和聚丙烯的相容性,
12、这更有利于纳米碳酸钙和基体树脂间形成良好的粘接界面,进一步提高了体系的冲击强度。2 3 弹性体和纳米碳酸钙并用对聚丙烯性能的影响纳米碳酸弹性体用冲击强度拉伸强度伸长率弯曲弹性弯曲强度钙用量量K J,m I P a模量M P aM P a403 1 8 32 4 1 65 0 09 7 92 80 1455 5 1 02 0 4 87 0 08 5 02 3 8 7从表3 可以看出,弹性体的加入可以明显的提高复合材料的冲击强度和延伸率,但是复合材料的弯曲弹性模量和弯曲强度均有下降。即材料的刚性受到了不利的影响。这和弹性体、微米碳酸钙改性聚丙2 1 62 Q 0 5 年南京复夸材料技术发展研讨套诗
13、文烯的规律基本一致。2 4 纳米碳酸钙用量对材料冲击性能的影响图表1 维水碳酸竹刖量对复合;料降能的蟛响从图表1 中町以看出,对聚丙烯纳米碳酸钙体系,随着纳米碳酸钙用量的增加,复台材料的冲击强度先升高,到4 的含量时达到最大值,咀后随着纳米碳酸钙用量的增加,复合材料的冲击强度逐渐下降。这说明当纳米碳酸钙含量较少时,团聚作用不明显,对浆丙烯有增韧作用,随着纳米碳酸钙用量的增加,其团聚作用越来越叫显,粒径较大的碳酸钙粒子的含景也越来越多,因此其增韧效果也变差,当填充量太人时,团聚现象根严重,达到微米级的碳酸钙的含量过高时,甚至会降低材料的冲击强度。而对丁聚丙烯,弹性体纳米碳酸钙体系,随着纳米碳酸钙
14、含量的增加体系的缺口冲击强度先升高,当含量达到4 以后,直到纳米碳酸钙含量达到1 0 以上,体系的冲击强度基本保持不变。这应是弹件体对体系有增韧作用。2 5 预处理对材料性能的影响表4 预处理对材料性能的影响熔体流动速冲击强度拉伸强弯曲弹性弯曲强度ll 搅拌方法伸长率盎!O m i n o,r度M P a模量aM P alI 来处理。53 31 64 52 36 23 5 01 0 7 02 8 3 4处理6 6 43 1 8 32 1 4 55 5 09 3 62 52 8从表4 中可以看出,用钝化帮对纳米碳酸钙进行适当的表面处理,可以大幅度的提高复台材料的冲击强度。这是因为虽然纳米碳酸钙与
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