本文針對(duì)家用電器中電源盒部件對(duì)聚丙烯復(fù)合材料的需求，采用不同填充物填充改性聚丙烯，考察不同填充物對(duì)聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能、收縮率和阻燃性的影響，并對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了分析研究。
利用同向平行雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出法制備聚丙烯復(fù)合材料：根據(jù)設(shè)計(jì)好的配方將各組分物料按比例稱量，用混合器將稱好的物料攪拌均勻后，加入到擠出機(jī)進(jìn)行擠出造粒，加工溫度為190~210 ℃，經(jīng)水冷、切粒、烘干，即制備獲得聚丙烯復(fù)合材料，然后按相應(yīng)的 GB 標(biāo)準(zhǔn)注塑測試樣條。 其中力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)和收縮率測試實(shí)驗(yàn)使用的材料配方為：在 PP1100N 中分別加入 20 %的滑石粉/玻璃纖維/碳酸鈣，及適量的抗氧劑、潤滑劑和相容劑；阻燃性能測試實(shí)驗(yàn)中用的材料配方為：在 PP1100N+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二銻中分別加入 20 %的滑石粉/玻璃纖維/碳酸鈣，及適量的抗氧劑、潤滑劑和相容劑。
圖 1 和圖 2 為不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響情況，從圖 1 和圖 2 可以看出，玻璃纖維填充改性對(duì)復(fù)合材料綜合力學(xué)性能提升的幅度最大，在拉伸強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、 彎曲模量上分別比 PP 原料提高 129 %、 132 %、 166 %、202 %；滑石粉填充對(duì)復(fù)合材料綜合力學(xué)性能提升的幅度次之，分別為 6 %、 16 %、 40 %、 112 %；碳酸鈣填充改性的分別為-13 %、10 %、 13 %、 33 %。 原因分析： (1)滑石粉填充到聚丙烯中，可以對(duì)聚丙烯起到異相成核的作用，促進(jìn)聚丙烯的結(jié)晶及提高聚丙烯的結(jié)晶度，從而能夠在一定程度上提高聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能。 (2)玻璃纖維本身強(qiáng)度高，可達(dá) 1500~4000 MPa，并且有著較大的長徑比，在復(fù)合材料中起著骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)作用，可以分擔(dān)材料所受的應(yīng)力和載荷，因此能夠大大增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能。 (3)碳酸鈣填充的增強(qiáng)作用最小，原因在于碳酸鈣為圓球形，沒有長徑比，也不能對(duì)聚丙烯起異相成核的作用， 只作為惰性填料添加到聚丙烯中。
圖 3 為不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響情況，由圖3 可以看出，玻璃纖維填充對(duì)降低復(fù)合材料的收縮率起著很大幫助， 加入 20 %玻璃纖維即可使復(fù)合材料的收縮率從 1.66 %降低至1.06 %，大幅度提高復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性；滑石粉填充的則降低至 1.29 %，碳酸鈣填充的降低至 1.52 %。 原因分析： (1)滑石粉填充到聚丙烯中，可以對(duì)聚丙烯起到異相成核的作用，促進(jìn)形成細(xì)而小的球晶，阻止較大的球晶產(chǎn)生，因而可以在一定程度上降低復(fù)合材料的收縮率。 (2)玻璃纖維會(huì)在熔體中沿流動(dòng)方向進(jìn)行排列，使 PP 分子鏈沿玻璃纖維方向進(jìn)行取向，較大的限制了分子鏈的收縮，因此可以大大降低復(fù)合材料的收縮率。 (3)碳酸鈣填充對(duì)降低復(fù)合材料收縮率的幫助很小，因?yàn)閳A球形的碳酸鈣不能對(duì)聚丙烯起成核作用，僅作為惰性礦物填充于聚丙烯中。
表 1 為不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料阻燃性能的影響情況，由表 1 可以看出，在 PP+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二梯+20 %填充物的阻燃體系中，滑石粉填充對(duì)提高復(fù)合材料阻燃性的作用最好，可以使聚丙烯復(fù)合材料達(dá)到 1.6 mm V0 級(jí)阻燃；玻璃纖維填充的效果次之，可以使復(fù)合材料達(dá)到 3.2 mm V0 級(jí)阻燃；碳酸鈣填充的效果最差，不能使聚丙烯復(fù)合材料達(dá)到 V0 級(jí)阻燃。 原因分析： (1)滑石粉主要成分是滑石含水的硅酸鎂，在380~500 ℃之間會(huì)失去締合水， 800 ℃以上則失去結(jié)晶水。水分在燃燒受熱后蒸發(fā)帶走一部分熱量， 這對(duì)抑制復(fù)合材料的燃燒起到積極作用；另外滑石粉中硅含量達(dá)到 30 %以上，硅元素與溴系阻燃劑形成溴－硅協(xié)效機(jī)理，提高阻燃效率。 (2)玻璃纖維本身不可燃、不助燃，但在阻燃劑添加比例固定的情況下，再加入一定比例的玻璃纖維，即減少了可燃組分(聚丙烯樹脂)的比例，這就提高了溴銻阻燃劑對(duì)聚丙烯發(fā)揮阻燃作用的效果，最終也能達(dá)到3.2 mmV0 阻燃； (3)溴銻阻燃劑的阻燃機(jī)理為：十溴二苯乙烷在高溫下分解釋放出溴化氫，溴化氫與 PP 燃燒過程中產(chǎn)生的自由基作用，終止自由基，即可起到阻止燃燒的目的；另外十溴二苯乙烷跟三氧化二梯反應(yīng)生成溴化銻氣體，溴化銻氣體密度高、粘度大，包覆在復(fù)合材料表面起到隔絕氧氣抑制燃燒的作用。而由于碳酸鈣在 800 度以上高溫時(shí)會(huì)分解為氧化鈣和二氧化碳，二氧化碳?xì)怏w在逸出過程中會(huì)帶走部分溴化氫和溴化銻，這就降低了阻燃劑的阻燃效率， 進(jìn)而不能使復(fù)合材料達(dá)到UL94 V0級(jí)阻燃。
(1)玻璃纖維填充改性對(duì)提高復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的作用最大，滑石粉填充改性次之，碳酸鈣填充改性的效果不如前兩者。
(2)玻璃纖維填充改性對(duì)降低復(fù)合材料收縮率的效果最好，滑石粉填充改性次之，碳酸鈣填充改性的效果不如前兩者。 (3)在 PP+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二銻+20 %填充物的體系中，滑石粉填充改性對(duì)提高復(fù)合材料阻燃性的幫助最大，玻璃纖維填充改性次之，碳酸鈣填充改性的效果最差。
試樣的制備
1
不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響
圖1 不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、簡支梁缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度的影響
圖 2 不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料彎曲模量的影響
2
不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料收縮率的影響
圖 3 不同填充物改性對(duì)聚丙烯復(fù)合材料收縮率的影響
3
不同填充物改性對(duì)復(fù)合材料阻燃性能的影響
表 1 不同填充物改性對(duì)聚丙烯復(fù)合材料阻燃性能的影響
結(jié) 論
