塑料T业 CHINA PLASTICS INDUSTRY 第41卷第2期 2013年2月 PP/Nano’CaCO3/EPDM复合材料性能研究水 崔文广,高岩磊,刘会茹,郧海丽 (石家庄学院化T学院,河北石家庄050035) 摘要:采用熔融共混法制备出了聚丙烯(PP)/纳米碳酸钙(nano—CaCO )/三元乙丙橡胶(EPDM)复合材料。 分别研究了nano—CaCO 和EPDM的加入量对复合材料力学性能的影响。结果表明:随着nano—CaCO 用量的增加,复 合材料的冲击强度和拉伸强度均呈现出先增加后降低的趋势,弯曲模量呈增加趋势;随着EPDM用量的增加,复合材 料的冲击强度呈增加趋势,拉伸强度和弯曲模量均呈下降趋势。 关键词:聚丙烯;纳米碳酸钙;三元乙丙橡胶;复合材料;性能 DOI:10.3969/j.issn.1005—5770.2013.02.010 中图分类号:TQ325.1 4 文献标识码:A 文章编号:1005—5770(2013)02—0040—03 Study on Properties of PP/Nano。CaCO 3/EPDM Composite CUI Wen guang,GAO Yan—lei,LIU Hui ru,YUN Hai。li (College of Chemical Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang 050035,China) Abstract:PP/nano‘CaCO 3/EPDM composite was prepared by meh blending.The effect of the HallO‘CaCO 3 amount and EPDM amount on mechanical property of the PP/nano。CaCO 3/EPDM composite were respectively studied.The results showed that the impact strength and tensile strength of the PlP/ nano。CaCO 3/EPDM composite both increased with the nano—CaCO 3 content,and then decreased with the nano—CaCO 3 content,and the flexural modulus of the composite increased with the nano。CaCO 3 content.The impact strength of the PP/nano‘CaCO 3/EPDM composite increased with the EPDM content,and the tensile strength and flexural modulus of the PP/nano。CaCO 3/EPDM composite both decreased with the EPDM content. Keywords:PP;Nano—CaCO 3;EPDM;Composite;Property 聚丙烯(PP)是一种综合性能较好的热塑性塑 料,广泛应用于医疗器具、汽车零部件、办公用品、 冲击韧性,而橡胶类聚合物是改善PP冲击韧性的有 效材料,但橡胶类聚合物的添加会显著降低PP材料 的刚性。因此,近年来国内外众多学者展开了nano— CaCO 与橡胶类聚合物协同增韧增强PP的研究工 作 J。本文通过熔融共混的方法将nano—CaCO 、 家庭用品、建筑材料以及包装材料等方面。其制品具 有耐热性好、化学稳定性高和成型性好等优点。但同 时PP也存在冲击强度低、低温易脆裂、耐候性差、 模量、强度、硬度低、尺寸稳定性差等缺点。这些缺 点大大了PP的应用,并且给实际生产带来了许 多麻烦。因此,对PP进行改性研究,拓宽其应用领 三元乙丙橡胶(EPDM)和PP进行复合,分别研究 了nano—CaCO 和EPDM对复合材料力学性能的影响。 1 实验部分 1.1原料 PP:K8303,北京燕山石化公司;Nano。CaCO : 域就成了学者们研究的热点¨叫 。 纳米碳酸钙(nano‘CaCO )填充PP是一种具有 广泛应用前景的复合材料,该复合材料的原料来源丰 富、价格低廉,易于成型加工。其制品的耐热性、刚 性、硬度及尺寸稳定性均优于聚丙烯塑料。但是, nano—CaCO 添加量稍大时,会严重损害复合材料的 北京中超海奇科技有限公司;EPDM:4045,Et本j 井EPT公司;偶联剂:TC’31 1,市售;抗氧剂: 1010,北京化工二厂;硬脂酸钙:市售。 河北省科技支撑计划项目(11215189),石家庄学院科研启动基金项目(11YB003) 作者简介:崔文广,男,1977年生,博士,副教授,研究方向为纳米材料的制备及其在高聚物中的应用。 cuiwgO102@1-63.conl 第4l卷第2期 崔文广,等:PP/Nano—CaCO,/EPDM复合材料性能研究 1.2仪器与设备 引发大量的银纹,从而吸收冲击能量,使得复合材料 的韧性增加;其用量超出一定范围后,分散性变差, 大粒径团聚体数目增多,造成界面缺陷增多,导致复 合材料韧性降低。可见,为了使PP/nano。CaCO /EP— DM复合材料保持一定的韧性,不适宜添加太多的 nano—CaCO 粉体。 双螺杆挤出机:TSSJ25/40,中蓝晨光化工研究 院科强化工装备公司;注射机:JN88E,深圳震雄机 械有限公司;简支梁冲击试验机:xJJ‘5,承德金建 检测仪器有限公司;万能材料试验机:4706,美国 Instron公司。 1.3复合材料的制备 把PP、nano—CaCO 、EPDM、抗氧剂和润滑剂等 按一定比例充分混合后,在双螺杆挤出机上挤出造 矗 曩 粒,将所得粒料在注射机上加工成测试样条。 1.4性能测试 冲击强度:按GB/T 1043—1993标准测试;拉伸 强度:按ASTM D638--1981标准测试;弯曲模量: 按GB/T 9341—2000测试。 2结果与讨论 2.1 Nano・CaCO 用量对复合材料力学性能的影响 保持EPDM用量为10%,改变nano—CaCO 的用 量,制备出含不同量nano。CaCO 3的PP/nano‘CaCO 3/ EPDM复合材料,考察其用量对复合材料力学性能的 影响,结果见图1、图2。 暴 署 蠹 nllno-CaCO ̄It ̄'Jtt/% 图1 Nano—CaCO 3用量对PP/nano CaCO 3/EPDM 复合材料冲击强度的影响 Fig 1 Effect of nano—CaCO 3 content on impact strength of PP/nano’CaCO 3/EPDM composite 由图1可以看出,随着nano。CaCO 用量的增加, 复合材料的冲击强度呈现出先有所增加而后下降的趋 势。当其质量分数为4%时,PP/nano。CaCO,/EPDM 复合材料的冲击强度上升到111.76 kJ/m ,较PP/ EPDM复合材料的冲击强度(104.58 kJ/m )提高了 6.87%:之后,PP/nano-CaCO /EPDM复合材料的冲 击强度开始下降,当nano—CaCO 质量分数达到12% 时,冲击强度降到75.34 kJ/m ,较PP/nano—CaCO 3/ EPDM复合材料冲击强度的最大值降低了32.59%。 出现这种结果的原因是:当llano‘CaCO,用量较少时, 在复合材料中的分散性较好,可以作为应力集中点, 鐾 禽I llano・caCo3质量分数,% 图2 Nano CaCO 3用量对PP/nano—CaCO 3/EPDM 复合材料拉伸强度、弯曲模量的影响 Fig 2 Effect of nano—CaCO 3 content on tensile strength lfexural modulus of PP/nano—CaCO 3/EPDM composite 从图2中可以看出,随着llano—CaCO 用量的增 加,复合材料的拉伸强度先是逐渐上升,当其质量分 数为4%时,拉伸强度达到最大值23.15 MPa,较 PP/EPDM复合材料的拉伸强度(19.48 MPa)提高 了18.84%;当其质量分数超过4%后,拉伸强度呈 现出逐渐下降的趋势,其质量分数为12%时,拉伸 强度降到21.19 MPa,较PP/nano’CaCO /EPDM复合 材料拉伸强度的最大值降低了8.47%。出现这种结 果的原因是:当PP/nano—CaCO /EPDM复合材料中 纳米粒子含量较少时,基体中的纳米粒子可以起到交 联点的作用,在受到拉伸应力时,交联点具有应力集 中和应力辐射的平衡效应,通过吸收外来能量和辐射 能量,可以起到均匀分布应力的作用;而且,llano‘ CaCO 在基体中的分散相尺寸很小,易与高分子链一 起均匀移动,从而保持复合材料的拉伸强度不下降。 当体系中添加的nano—CaCO 含量较高时,大粒径团 聚体数目增多,造成界面缺陷增多,导致界面强度降 低。因此,在受到拉伸应力时,应力集中较为明显, 高聚物基体区域被拉伸并从颗粒上剥离,并且此时无 机粒子移动性很小,变形能力减弱,从而导致复合材 料的拉伸强度变差。可见,为了使PP/nano—CaCO / EPDM复合材料保持一定的强度,不适宜添加太多的 llano CaCO 3粉体。 由图2还可以看出,复合材料的弯曲模量随着 lano—CaCO 用量的增加呈明显增加的趋势。与PP/ EPDM复合材料的弯曲模量(355.83 MPa)相比,当 塑料工业 nano’CaCO 3质量分数为12%时,PP/nano。CaCO 3/EP— DM复合材料的弯曲模量增加到836.04 MPa,增幅达 134.95%。这可能是因为nano—CaCO 为无机刚性粒 子,它的加入有助于复合材料刚性的增加。 2.2 EPDM用量对复合材料力学性能的影响 保持nano‘CaCO 质量分数为10%,改变EPDM 的用量,制备出不同含量EPDM的PP/nano’CaCO,/ EPDM复合材料,考察其用量对复合材料力学性能的 影响,结果图3、图4。 蠹 嚣 露 图3 EPDM用量对PP/nano。CaCO 3/EPDM复合材料 冲击强度的影响 Fig 3 Effect of EPDM content on impact strength of PP/ nano。CaCO 3/EPDM composite 由图3可知,随着EPDM用量的增加,复合材料 的冲击强度呈现出显著增加的趋势。与PP/nano CaCO 复合材料的冲击强度(34.74 kJ/m )相比, 当EPDM质量分数为12%时,PP/nano CaCO /EPDM 复合材料的冲击强度增加到95.03 kJ/m ,增幅 达173.55%。 分散相粒子同基材之间良好的界面黏结是达到优 异增韧效果必要条件之一。因为,在这类两相体系中 会形成中间相,改变了分子运动的特征,有利于应力 的传递及能量耗散。EPDM与PP基材有很好的界面 黏结性,它被牢固地锚在基材中。当样品受到外力作 用时,EPDM有引发和终止银纹的作用,并且可以使 外界作用能在体系中获得很好的传递和分散。因此, EPDM的加入可以显著增加复合材料的冲击强度。 从图4可以看出,随着EPDM用量的增加,复合 材料的拉伸强度呈现出不断下降的趋势。与PP/ nano—CaCO 复合材料的拉伸强度(22.69 MPa)相 比,当EPDM质量分数为12%时,PP/nano‘CaCO 3/ EPDM复合材料的拉伸强度下降到21.08 MPa,降幅 为7.10%。一方面,EPDM的拉伸强度小于PP的拉 伸强度,所以随着其用量的增加,复合材料的拉伸强 度呈现出不断下降的趋势。另一方面,EPDM与PP 相容性好,分散相粒子同基材之间有良好的界面黏 结,这在一定程度上弥补了EPDM拉伸强度小的负 面影响。因此,EPDM的加入虽对PP/nano。CaCO,/ EPDM复合材料的拉伸强度有损害作用,但影响 较小。 昔 蕾 塞 耋 鬈 蓍 籍 静 图4 EPDM用量对PP/nano’CaCO 3/EPDM复合材料 拉伸强度、弯曲模量的影响 Fig 4 Effect of EPDM content on tensile strength of PP /nano CaCO3/EPDM composite 由图4可知,复合材料的弯曲模量随着EPDM用 量的增加呈现出显著下降的趋势。与PP/nano-CaCO 复合材料的弯曲模量(1 132.61 MPa)相比,当EP. DM质量分数为12%时,PP/nano。CaCO /EPDM复合 材料的弯曲模量下降到758.35 MPa,降幅达 33.04%。这主要是因为EPDM自身的弯曲模量远低 于PP自身的弯曲模量。 3 结论 随着nano—CaCO 用量的增加,PP!nano—CaCO /EP. DM复合材料的冲击强度和拉伸强度均呈现出先增加后 降低的趋势,而弯曲模量呈增加趋势;随着EPDM用量 的增加,PP/nano—CaCO /EPDM复合材料的冲击强度呈 增加趋势,而拉伸强度和弯曲模量均呈下降趋势。 参考文献 [1]李军伟,刘志锋.废旧三元乙丙橡胶粉改性聚丙烯的性 能研究[J].橡胶工业,2012,59(3):138—142. [2]刘永焯,官习鹏,许永昌,等.充油SEBS改性PP性能 研究[J].塑料工业,2012,40(3):61—64. [3]周红波,王苓,王正有,等.PP/EVA/纳米CaCO 复合 体系力学性能的研究[J].塑料工业,2011,39(5): 68—70. [4]杨治,郑兴铭,陈如意,等.聚丙烯/有机磷酸锆复合材 料的制备及性能研究[J].塑料工业,2012,40(2): 75—78.91. [5]MA Chuanguo,MAI Yuliang,RONG Minzhi,et a1.Phase structure and mechanical properties of ternary polypropylene/ elastomer/nano‘CaCO3 composites[J].Compos Sci Techn— ol,2007,67(14):2997—3005. (下转第96页) ・96・ 塑料工业 2013年 (上接第44页) 『61 ZEBARJAD S M,SAJJADI S A,TAHANI M.Modiifcation of fracture toughness of isotactic polypropylene with a combi— 2010,20(2):16—20. [8]朱德钦,生瑜,王剑峰.PWEPDM/CaCO 三元复合材料 的相结构及力学性能研究[J].高分子学报,2008, (11):1061—1067. nation of EPR and CaCO particles[J].J Mater Proc Tech. no1,2006,175(1—3):446—451. (本文于2012—09—24收到) [7]童荣柏,彭娅,伍增勇,等.纳米CaCO 含量对PP/ SBS/CaCO 复合材料力学性能的影响[J].弹性体, (上接第56页) Sci.2004,92:2045—2053. [2]王亦云,庞素娟,徐鼐,等.可生物降解热塑性聚氨酯 ANG Min,ZHAO Xiuli,DING Xiaobin.et a1.A novel [5] JIapproach to fluorinated polyurethane by macromonomer copol— 弹性体的合成与性能研究[J].工程塑料应用,2012, 40(1):8—11. ymerization[J].Eur Polym J,2005,41:1798—1803. fen,WEI Yuhong.Effect of soft segment length on [6] WANG Li[3]唐功庆,罗玉媛,张梅,等.聚氨酯微孔弹性体的制备及 动静刚度比研究[J].橡胶工业,2012,59(2):80—83. 『4]PINTO M L,PIRES I J,CARVALHO A P,et a1.Synthe— sis and characterization of polyurethane foam matices fror the properties of lfuorinated polyurethanes[J].Colloids Surf B: Biointerfaces,2005,41:249—255. (本文于2012—11—13收到) support of granular adsorbent materials[J].J Appl Polym