碱式硫酸镁晶须填充聚丙烯的研究
文章编号:1007-967X(2007)05-0042-04
碱式硫酸镁晶须填充聚丙烯的研究
韩跃新,陈 旭,印万忠
(东北大学资源与土木工程学院,辽宁沈阳110004)
摘 要:将碱式硫酸镁晶须经硬脂酸钠改性后,添加到聚丙烯基体中,考察了复合体系的力学性能和阻燃性能,并对改性前后晶须在聚丙烯基体中的分散情况做了比较。试验表明,碱式硫
酸镁晶须对聚丙烯材料具有优良的增强和阻燃效果。
关键词:碱式硫酸镁晶须;聚丙烯;复合;增强;阻燃
中图分类号:TQ325.14 文献标识码:A
1 引 言
聚丙烯(Polypropylene,PP)是一种原料来源丰富、合成工艺简单的通用热塑性塑料,其具有密度小、价格低、屈服强度、拉伸强度等机械性能优异等特点,并有突出的耐应力、耐腐性和良好的化学稳定性。但是,聚丙烯低温易脆化,对缺口较敏感,成型收缩率大、易老化而不能作为结构材料使用,使其应用受到一定的限制。为此,人们纷纷通过共聚、共混、填充、增强等技术对聚丙烯进行改性以提高其性能[1~3]。
碱式硫酸镁晶须(简称MOS)是一种新型纤维状增强材料,具有十分优良的物理力学性能,如强度高、模量高和电气性能好。同时,其膨胀系数与塑料相当,与塑料相容性好,同塑料掺混而不会增加熔体粘度,有利于制作形状复杂、尺寸精度要求高、精小薄壁、表面十分光滑的精密注射件以及对成型设备和模具损伤小的特性复合材料,因而可广泛用于电子电器、汽车、机械、化工、建筑等工业部门[4,5]。
采用东北大学矿物工程研究所制备的碱式硫酸镁(MgSO4 5Mg(OH)2 3H2O)晶须,经表面改性后应用到聚丙烯塑料中,对MOS/PP复合体系的力学性能和阻燃性能进行了研究。
2 实验部分
2.1 主要试剂和仪器设备
2.1.1 原料和试剂
碱式硫酸镁晶须,东北大学矿物工程研究所;聚丙烯(PP),T300S,中国石油大庆炼化公司;硬脂酸钠,国药集团化学试剂有限公司;无水乙醇,分析纯,沈阳市新化试剂厂;液体石蜡,沈阳市试剂五厂;抗氧剂1010、白油等助剂,工业级,市售。
2.1.2 主要仪器设备
SHH-W21-420型三用电热恒温水箱,天津市泰斯特仪器有限公司;GRH-10型万能混合机,辽宁省阜新市热源设备厂;SJSH-30型双螺杆挤出机,石家庄市星烁实业公司;HY2W型万能制样机,承德试验机有限公司;XJJ-5型冲击试验机,承德试验机有限公司;DLY-10A型万能材料试验机,长春材料试验机厂;SSX-550型扫描电子显微镜,日本岛津公司;XZT-100型氧指数仪,承德试验机有限责任公司。
2.2 实验方法
2.2.1 改性实验
将碱式硫酸镁晶须配成质量浓度为5%的料浆,在80 的水浴条件下,以500r/min的转速搅拌,滴加3%(以干粉质量为基准)的硬脂酸钠进行表面改性,持续30min后过滤洗涤,在恒温干燥箱中干燥,控制干燥温度为100 ,干燥后的产品过200目筛以备应用。
2.2.2 试样制备
将充分干燥的聚丙烯粒子与经过表面改性和没有经过表面改性的碱式硫酸镁晶须以不同的比例在高速混合机中混合均匀,然后经过双螺杆挤出机挤出,造粒,将复合的粒子注射成型以备测试。
2.3 实验工艺流程图
实验工艺流程图如下所示:
第23卷第5期2007年10月 有 色 矿 冶
NO N-FERRO US MI NI NG AND METALLURGY
Vol.23. 5
October2007
收稿日期:2007-07-11
作者简介:韩跃新(1962 ),男,教授,博士研究生导师,主要从事矿物材料及矿物加工技术研究。
图1 实验工艺流程图
Fig.1 Schematic process of the experi ment
2.4 性能测试
2.4.1 SE M 分析
将样条断面打磨平整光滑,在液氮中进行喷金处理后,采用扫描电子显微镜(SEM)观察改性前后的碱式硫酸镁晶须在MOS/PP 复合体系中的分散情况。
2.4.2 机械性能测试
按照GB1040-79规定,采用注塑机将试样制成哑铃型的标准试样,在万能材料试验机上测定断裂强度、断裂伸长率和弯曲模量,试样面积为40mm 2,最大载荷为1000N,试验速度为50mm/min 。按照按GB1042-79规定测定弯曲模量,试样面积为24m m 2,最大载荷为50N,试验速度为20mm/min 。2.4.3 燃烧性能测试
氧指数是指在规定的条件下,将试样处于流动的氧气和氮气的混合气氛中,测定刚好能维持有烟燃烧时的最小氧浓度,以氧所占体积百分数表示,为塑料及高分子化合物燃烧性能的一种表示方法,以此判断可燃材料在空气中与火焰接触时燃烧的难易程度。氧指数测定所用试样尺寸100mm 6.5m m 3mm,按GB2406-80标准,利用氧指数仪检测试样的燃烧性能。
3 结果与讨论
3.1 改性前后的碱式硫酸镁晶须在MOS/PP 体系
中的分散情况
图2 MOS/PP 复合体系的SE M 照片Fig.2 SEM photos of MOS/PP composite
图2为未进行表面改性和表面改性后的碱式硫酸镁晶须在相同配方下填充PP 并在液氮下脆断后
其断面的扫描电镜照片。从照片可以看出,未改性
体系晶须在PP 中的分散很不均匀,晶须因完全无序的分散到基体中,经剪切作用后形貌受到一定程度
的破坏。此外,还可看出晶须团聚体与PP 基体之间存在着比较明显的界限,并有因脆断时颗粒逃逸后形成的空洞。这是因为碱式硫酸镁晶须具有高的表面能,与低表面能的PP 基体间缺乏界面粘附性,未改性的碱式硫酸镁晶须在MOS/PP 体系中只是起到了填充阻燃的作用,而不是与PP 发生化学健合。
经过表面改性后,碱式硫酸镁晶须与PP 基体间的界面变得模糊,晶须在基体中分散均匀,基体对晶须进行了有效地包埋,尽管有少量的聚集体生成,晶须在基体中的分散还是非常有序,大体上也成平行取向排列。
3.2 碱式硫酸镁晶须对MOS/PP 体系力学性能的影响3.2.1 晶须用量对MOS/PP 复合体系冲击强度的
影响
图3 不同含量的MOS 晶须对复合体系冲击强度的影响
Fig.3 Effect of di fferent MOS whisker contents on
the impact strength of comp osi te
由图3可知,随着碱式硫酸镁晶须含量的增加,MOS/PP 复合体系的冲击强度先呈小幅度上升,然后呈大幅度下降趋势。当晶须含量为10%时,复合体系冲击强度达最大值4.4kJ/m 2
,相比纯PP 冲击强度略有增加;当晶须含量为50%时,复合体系冲击强度达最小值2.9kJ/m 2,相比纯PP 冲击强度下降了30%。这是因为晶须具有纤维状结构,当受到外力作用时较易产生变形,能够吸收冲击振动能量,同时,裂纹在扩展中遇到晶须便会受阻而得以抑制,
因此当填充量较小时可起到增韧作用[6]
。但是晶须的柔韧性比基体树脂小,在MOS/PP 的复合体系中,PP 基体与晶须之间形成的强结合界面粘结,但这种强结合界面缺乏缓冲层,是复合材料脆性破坏的引发点,因此大量填充将导致PP 基体的韧性下降,从而使得复合材料抗冲击强度下降。
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第5期 韩跃新等:碱式硫酸镁晶须填充聚丙烯的研究
3.2.2 晶须用量对MO S/PP 复合体系拉伸性能的影
响图4 不同含量的MOS 晶须对复合体系拉伸性能的影响
Fig.4 Effect of different MOS whi sker contents on
the tensile properties of composite
图4给出了复合体系的拉伸强度和断裂伸长率随晶须含量变化的关系。从中可以看出,复合体系的拉伸强度随填充量的增加而增加,断裂伸长率随填充量的增加而降低。经过表面改性处理后的碱式硫酸镁晶须,与PP 基体树脂的界面粘合牢固,在拉伸应力作用下,和PP 基体一起承受载荷产生变形。碱式硫酸镁晶须本身具有很高的拉伸强度,它的存在一方面能够吸收外界能量,提高产生裂纹的应力值,另一方面,它能加速能量的逸散并抑制裂纹的延伸,从而提高材料的拉伸强度。
上述变化也体现在断裂伸长率方面。由于碱式硫酸镁晶须是高强度脆性材料,其自身的断裂伸长率很小,当拉伸应力作用与复合体系时,晶须将先发生断裂脱落,晶须与基体界面的应力传递能力将遭到破坏,从而导致材料的迅速断裂,在宏观上体现出小的断裂伸长率。
3.2.3 晶须用量对MO S/PP 复合体系弯曲强度的影
响
图5 不同含量的MOS 晶须对复合体系弯曲强度的影响Fig.5 Ef fect of diff erent MOS whisker c ontents o n the bendi ng streng th of co mposi te
由图5可知,随着碱式硫酸镁晶须添加量的增加,复合体系弯曲强度也是增加的。当晶须的添加量为50%时,弯曲强度达最大值62.5MPa,与未添
加晶须的体系相比,弯曲强度增加了近30%。这是因为在MOS/PP 复合体系中,碱式硫酸镁晶须分散于PP 分子链之间,PP 的分子链缠绕在晶须表面并于之交联,这样,晶须在整个复合体系中起到了骨架的作用,又碱式硫酸镁晶须的弯曲强度和模量远远大于PP 基体树脂,使得复合体系的弯曲强度和晶须用量的增加而提高。
3.3 碱式硫酸镁晶须对MOS/PP 体系燃烧性能的影响
表1 MOS/PP 复合体系的阻燃性能
Tab.1 The fire retardant properties of MOS/PP composite
试样编号MOS 含量(%)氧指数(%)
发烟情况有无熔滴滴落
1019.2浓烟,黑色很多21021.1浓烟有32022.6有烟有43025.4轻烟基本没有
54027.0基本没有
无6
50
28.5
无
无
极限氧指数法是国内外塑料燃烧实验应用最普遍的检测方法。通过测试MOS/PP 复合体系的极限氧指数(见表1),可以看出,随着碱式硫酸镁晶须含量的增加,MOS/PP 复合体系的氧指数逐渐上升,发烟越来越小,熔滴滴落现象越来越少,其阻燃效果也越来越好。这是与碱式硫酸镁晶须具有优良的阻燃性能有关,碱式硫酸镁晶须分子中带有结晶水,多在260 以下受热分解,在燃烧时发生脱水反应吸收大量的外界热能来降低基材的温度,生成的水蒸汽不仅能稀释火焰区反应气体的浓度而且能吸收烟雾,起到消烟的作用。它具有比高聚物大得多的热容,在分解前就可吸收大量的热量,分解温度较高,热稳定性好,故能起到优良的阻燃效果。
4 结 论
(1)未经表面改性和经硬脂酸钠改性后的碱式硫酸镁晶须填充到PP 树脂中,后者的分散效果要明显好于前者。
(2)将改性后的碱式硫酸镁晶须以不同含量填充到PP 树脂中,复合体系的力学性能有不同程度的
改善。其中拉伸强度和弯曲强度随晶须添加量的增加而上升,冲击强度和断裂伸长率随晶须添加量的增加而降低。
(3)碱式硫酸镁晶须对PP 树脂有优良的阻燃效果。
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有 色 矿 冶 第23卷
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The Research of Basic Magnesium Sulfate Whisker Filed up Polypropylene
HAN Yue xin,C HE N Xu,YIN Wan zhong
(School o f Resources &Civil Engineering ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China)
Abstract:In this paper,the basic magnesium sulfate whisker which was modified by sodium stearate was added into polypropylene base.In the experiment,the mechanical performance and flame retardance of the composite system were detected,and the dispersal cases of modified and unmodified whiskers in the polypropylene base were compared in this paper.E xperiment shows that basic magnesium sulfate whisker can make polypropylene materials have the good effects in reinforcement and flame retardant.
Key words:basic magnesium sulfate whisker;polypropylene;filed up;reinforcement;fla me retardanc y
有色矿冶 2008年征订启示
有色矿冶 是由中国有色金属工业沈阳公司暨辽宁省有色金属学会主办的有色金属工专业技术性科技刊物。是 中国学术期刊(光盘版) 入编期刊,中国期刊网全文收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊,万方数据 数字化期刊群全文上网期刊、 中国核心期刊(遴选)数据库 入编期刊, 中国学术期刊(光盘版)检索与评价数据规范 执行优秀期刊。本刊设有:有色金属地质、采矿、选矿、有色冶炼、金属材料与压力加工、分析检测、节能、安全与环保、技术经济等栏目。内容丰富,版面活泼。
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有色矿冶 为双月刊,64页、大16开本(285mm 210mm),国内外公开发行,国内统一刊号CN 21-1112/TF,国际标准刊号ISSN 1007-967X 。全年6期,每期定价7.00元,全年共计42.00元。从现在起开始办理2008年征(续)订手续。本刊为自办发行,如欲订阅请向本刊索取订单。订阅者可直接从邮局汇款至本刊编辑部。
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