硅藻土填充聚丙烯复合材料界面黏结强度的定量表征研究.pdf

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1、收稿日期：462009-09-25硅藻土填充聚丙烯复合材料界面黏结强度的定量表征研究Study on Quantitative Characterization for Bond Strength of Diatomite Filled Polypropylene Composite作者简介：吴成宝(1978)，男，博士，主要从事高分子复合材料成型过程中的物理与化学方面的研究。吴成宝 Wu Chengbao -华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640-School of Mechanical and Automotive Engineering,South China Univ

2、ersity of Technology,Guangzhou 510640,China摘要:运用硅烷偶联剂对3种不同粒径的硅藻土进行表面改性，采用熔融共混法制备了聚丙烯（PP）/硅藻土复合材料，并测试了3种复合材料的拉伸强度。引入了界面相互作用参数B和黏合角对复合材料界面黏结状况进行量化表征。结果表明：复合材料的拉伸强度随硅藻土体积分数的提高而降低；3种复合材料的B值在1.121.56之间，均小于3，表明在该实验条件下，硅藻土未能增强PP；3种复合材料的值在57.91 73.74之间，与B值相比可发现，B值较大的复合材料具有相对较小的值，说明B值和值均能定量表征复合材料界面黏结强度。Abstr

3、act:Three kinds of diatomite with different particle size was treated by silane coupling agent.PP/diatomite composites were prepared by melt blending process,and the tensile strength of the composites were tested.The interfacial interaction parameter B and the bond angle were intruduced to quantitat

4、ively characterize the bond strength of particle-filled polymer composites.The results show that:the tensile strength of the composites decreases with the increase of diatomite volume fraction;the B values of the composites range from 1.12 to 1.56,all of which are less than 3,it means the diatomite

5、could not reinforce the PP resin under the testing condition;the values of the composites range from 57.91 to 73.74,and when B value is big,value is relatively small.Therefore,both B and are suitable for characterizing the interfacial bond strength of particle-filled polymer composite.关键词:硅藻土；聚丙烯；复合

6、材料；黏结强度；定量表征Key words:Diatomite;Polypropylene;Composite;Bond strength;Quantitative Characterization文章编号：1005-3360（2010）01-0046-04聚丙烯（PP）是一种通用热塑性塑料，具有密度小、力学性能优异、易于成型加工、以及耐腐蚀等一系列优点，因而自20世纪60年代实现了工业化生产以来，发展迅速。但由于PP还表现出成型收缩率大，脆性和低温冲击性能差等缺点，其应用范围受到了限制。为此，科技工作者对PP采用了共聚、共混、填充、交联和接枝等改性措施，以满足制品性能的要求1-10。其中，利

7、用无机粒子填充PP基体是经济、有效的改性方法之一11-14。硅藻土的主要化学成分为非晶质的SiO2，它密度小，稳定性好，具有良好的吸附性、分散性、悬浮性、耐磨性和电绝缘性，且可溶性盐含量低、比表面积较大、吸油值较高，近年来在声学材料、建筑材料、涂料、隔热保温材料等行业的应用日趋广泛。在前期的工作中，笔者研究了PP/硅藻土复合材料的流动行为15-16和力学性能17。本文的重点是定量表征硅藻土粒子与PP基体的黏结强度。1 实验部分1.1 原料PP，CJS-700，熔体流动速率8.015.0 g/10min，密度0.910 g/cm3，广州石化有限公司；硅藻土，牌号为700、499、281，相应平均

8、粒径分别为5、7、13 m，广州德维化工有限公司。1.2 仪器与设备高速混合机，SHR-10A，张家港市亚通机械有限公司；双螺杆挤出机，SLJK，直径35 mm，L/D=28，成都科强高分子工程公司；理论与研究文献标识码:A中图分类号:TQ325.1447硅藻土填充聚丙烯复合材料界面黏结强度的定量表征研究注射机，TTI-160F，东华机械有限公司；干燥箱，DL-204S，天津市中环实验电炉有限公司；万能试验机，CMT6104，深圳新三思公司。1.3 试样制备将PP基体树脂与经硅烷偶联剂改性后的硅藻土以100/0、95/5、90/10、85/15的体积比充分混合，挤出、造粒、干燥后进行注塑成型，

9、制得用于力学性能测试的标准试样。制备材料及试样的工艺流程如图1所示。图1 制备复合材料及试样的工艺路线Fig.1 Flow chart of preparation of the composite and sample1.4 性能测试在室温条件下，按照GB/T 10401992用万能试验机测定样条的拉伸强度，取5个样条的拉伸强度的平均值作为最后测试结果。2 结果与讨论2.1 拉伸强度 图2 与f的关系 Fig.2 Relationship between and f 图2展示了PP/硅藻土复合材料的拉伸强度（）与硅藻土体积分数（）的关系。从图2中可以发现，3种复合材料的yc都随着f的增加而逐

10、渐下降。究其原因：其一，硅藻土的加入增加了复合材料的应力集中点，且随着硅藻土粒子的含量增加，复合材料的应力集中点增多，且粒子的团聚概率增加，易在基体内形成缺陷；其二，随着硅藻土体积分数的增加，基体有效承载横截面积减少。2.2 无机粒子填充树脂界面黏结强度表征2.2.1 界面相互作用参数Turcsanyi18等认为粒子的粒度分布及界面黏结强度也是影响复合材料力学性能的重要参数，并将界面相互作用参数（B）首次引入无机粒子填充复合材料拉伸屈服强度预测的经验公式，如式（1）：（1）式中，为复合材料拉伸屈服强度；为基体拉伸屈服强度；为填料体积分数。B是半经验参量，其物理意义为。式中，为常数；为填料的表面

11、自由能；和分别为填料的密度和比表面积。令yc/ym=I，绘制不同 条件下I与 的关系，如图3所示。图3 I与的关系Fig.3 Relationship between I and 转换式（1），可求得B的表达式，如：（2）分析式（2）的量纲可知，界面相互作用参数无直接的物理意义，但是该参数反应了特定复合材料的界面特性，且依赖于粒子的体积分数及基体树脂的屈服强度，其值越大，说明粒子与基体之间的黏结越强。结合图3可知，当B3时，在一定体积分数范围内，I 随 增加而提高，填充粒子对基体树脂起增强作用；相反，当B3时，I 随 增加而降低，填充粒子未能增强基体树脂。在求复合材料的B值时，常令，以对作图并

12、拟合直线，其斜率48硅藻土填充聚丙烯复合材料界面黏结强度的定量表征研究即为界面相互作用参数B。图4为3种复合材料的-关系曲线，由图4可得到具有不同界面黏结性能的复合材料的界面相互作用参数B，各拟合直线的相关系数大于0.95。对于3种不同粒径的硅藻土填充PP复合材料体系：PP/281、PP/499和PP/700所对应的B值分别为：1.11、1.49和1.56，均小于3，结合图3的分析结果可以看出，实验条件下，硅藻土不能增强PP，这与图1的结果相一致。图4 lnQ 与f的关系Fig.4 Relationship between lnQ andf2.2.2 界面黏合角对于界面黏结强度介于较小（在承载

13、拉伸作用力时，基体与填充粒子发生脱黏）和较大（在承载拉伸作用力时，基体与填充粒子不发生脱黏，主要表现为树脂基体的剪切屈服）之间的填充改性塑料，在发生屈服时，界面层能转移一小部分应力，同时发生填充粒子与树脂基体界面脱黏。Liang等19提出了松解模型（如图5所示）和界面黏合角（）的概念，在球形立方堆砌假设的基础上，提出了填充改性塑料拉伸屈服应力的计算公式：（3）式中，是表征黏结性能的特征值。由图5可知，越小，界面黏合形态越好，黏结强度越大。当=0 时，复合材料为理想的界面黏合。在求算 值时，常令，以 对作图并拟合直线，设直线斜率为，则：（4）复合材料的 关系曲线如图6所示，其数据拟合结果如表1所

14、示。图5 界面脱黏模型Fig.5 Interfacial debonding model 图6 关系曲线Fig.6 Relationship curves between and 表1 不同体系的拟合直线Tab.1 Fitted curves of different systems体系拟合直线相关系数/PP/700=0.0267-0.8684-0.954557.91PP/499=0.0323-0.9104-0.963060.16PP/281=0.0675-1.1152-0.987373.75由 表1可 知，各 拟 合 直 线 的 斜 率 分 别为-0.8684、-0.9104和1.1152，

15、且相关系数均大于0.95，表明数据分析可靠。将各斜率代入式（4），可求得不同PP/硅藻土复合材料的界面黏合角。与B值相比可以发现，B值较大的复合材料具有较小的 值，这是因为复合材料拉伸屈服强度与B值成正比，而与 值成反比。3 结论（1）在实验范围内，PP复合材料的拉伸强度随硅藻土体积分数的增加而降低。（2）3种复合材料的B值在1.121.56之间，均小于3，表明在实验条件下硅藻土未能增强PP。（3）各体系的 值在57.91 73.75 之间，与B值相比可发现，B值较大的体系具有相对较小的 值。49硅藻土填充聚丙烯复合材料界面黏结强度的定量表征研究因此，B值和 值均能定量表征复合材料界面黏结强度

16、。参考文献:1 Machado F,Lim E L a,Pinto J C,et al.In situ preparation of polypropylene/1-butene alloys using a MgCl2-supported Ziegler-Natta catalyst J.European Polymer Journal,2008,44:1 130-1 139.2 王东,高俊刚,李书润,等.聚丙烯/无规共聚聚丙烯共混物的流变行为与力学性能研究J.中国塑料,2003,17(8):10-23.3 Yu F Y,Zhang H B,Zheng H,et al.Experimenta

17、l study of flow-induced crystallization in the blends of isotactic polypropylene and poly(ethylene-co-octene)J.European Polymer Journal,2008,44:79-86.4 赵海燕,王苓,丁锐.PP/POE共混物的动态力学热分析J.塑料工业,2008,36(1):46-48.5 Gorna K,Vucak M,Grohn F,et al.Amorphous calcium carbonate in form of spherical nanosized partic

18、les and its application as fillers for polymers J.Materials Sciences and Engineering,2008,477:217-225.6 张旭峰,王澜,景森,等.化学交联聚丙烯的性能及其发泡研究J.中国塑料,2005,19(11):36-40.7 李志君,魏福庆.接枝和交联对纳米SiO2改性NR/PP共混型热塑弹性体的影响J.高分子学报,2006(1):43-47.8 郑子聪,曹贤武,何和智.聚丙烯及聚苯乙烯发泡体系熔体密度的研究J.塑料科技,2009,37(8):34-36.9 Okamura A,Hagiwara T,Y

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24、省经济和信息化委员会了解到，制造业大省山东欲做新材料产业大省。在未来3年，山东省每年将投入5亿余元用于扶持建材、化工涂料等新材料产业发展，使新材料成为山东省竞争能力强、强势企业多、发展后劲大的主要高新技术产业。据了解，山东省将在新材料产业的多个方面着力发展。以烟台氨纶集团等企业为研发和生产基地，积极与省内外纺织和医疗器械生产企业加强下游产品的开发和合作，建成年产能6 000t的差别化、功能化氨纶生产线；以山东东岳集团为生产载体和基地，重点研究解决膜表面涂层制备及涂覆技术、含氟熔融树脂膜材料加工等关键技术，同相关企业合作，实现国产全氟离子膜产业化；以山东爱地高分子材料有限公司为技术依托和生产载体，形成5 000t超高分子量聚乙烯纤维和1 000t复合材料的年生产能力。稀土稳定剂在 PVC 材料中获得应用近日，福建师范大学化工学院研发的稀土稳定剂在多家聚氯乙烯（PVC）制品企业获得应用。稀土稳定剂具有偶联、增强和光亮的功能，可替代铅盐稳定剂在PVC材料中应用。长期以来，铅稳定剂的使用已成为制约我国与塑胶相关产品出口的主要因素之一。福建师范大学化工学院科研人员通过调整稀土配合物中阳、阴离子的品种和配比，使之具有优异的热稳定性，该稳定剂能与PVC中不稳定的氯原子发生化学反应，从而置换这些氯原子，起到稳定作用。行 业 动 态