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聚丙烯中粉体哪个更好用?

发表时间:2023-05-17 访问量:11424

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。

1、碳酸钙增强增韧聚丙烯

碳酸钙在聚丙烯复合材料中更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。

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。

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更大,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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