作者简介：乔四高（1974-），男，工程师，主要从事塑胶成型的研究及设计方面的工作。
收稿日期：2020-07-09*通讯联系人
聚丙烯（PP ）作为五大通用塑料之一，广泛应用于我们的日常生活中，但PP 存在成型收缩率大，耐低温冲击性差，较易老化等缺点，不能作为高性能的工程材料 [1]
，所以一般将PP 与其他材料共混，制成
复合材料以达到改善性能的目的，满足更多环境下的需求，成本也能大幅度降低。滑石粉是最常用的矿物填料之一，它能够改善PP 的热性能和机械性能，这种填料还可以通过减少和均匀化模塑收缩来促进PP 的成型，这种特性适用于制作无缝连接和零间隙的部件，比如汽车保险杠 [2]
矿物，一般呈现出针状或纤维状集合体，甚至一些微小颗粒仍呈纤维状结构，硅灰石纤维由于其特殊的 晶体形态、良好的介电性能和较高的耐热性能等特性，被广泛应用于陶瓷工艺，也可用作聚合物填料，在降低成本的同时，也能改善聚合物产品的性能，高长径比的硅灰石是一种优良的填充改性剂，可用于塑料的增强，硅灰石增强塑料应用最多的就是聚丙烯
[3]
。因
此，本实验采用硅烷偶联剂改性的滑石粉和硅灰石纤维，研究了滑石粉和硅灰石纤维的含量对聚丙烯的力学性能，热性能及微观结构的影响，进行冲击性能和拉伸性能测试以及微观形态观察。
1 实验部分
1.1 原材料
聚丙烯（PP ）：中国石油化工股份有限公司；滑石粉：SK -6500P ，辽宁精华新材料有限公司；硅灰石纤维： AT -0025，江西科源粉体有限公司；硅烷偶联剂：KH -171，淮安和元化工有限公司；无水乙醇：成都市科龙化工试剂厂。
1.2 主要实验仪器
高混机：SHR -1.0，江苏白熊机械有限公司；缺口制样机：XQZ -J ，承德市金建检测仪器有限公司；
同向双螺杆挤出造粒机：TSE -30A ，南京瑞亚福斯特高聚物装备限公司；
塑料注射成型机：
TTI -95G ，东华机械有限公司；微机控制电子万能试验机：CMT6104，美斯特工业系统有限公司；
摆锤式冲击试验机：PIT501J ，深圳万测实验设备有限公司；
滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料
的制备与性能研究
乔四高1，陈师岐2，周宴宇2，王选伦
2*
(1.重庆海德世控制拉锁系统有限公司，重庆 4000542.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054)
摘要：采用挤出注塑的工艺制备了不同配比的滑石粉（Talc ）/硅灰石纤维/聚丙烯（PP ）复合材料，研究了滑石粉和硅灰石纤维的含量对聚丙烯的力学性能，热性能及微观结构的影响。使用硅烷偶联剂对硅灰石纤维和滑石粉进行表面改性处理提高改性材料的表面疏水亲脂性，使填料能够在聚丙烯树脂中均匀分散并与基体材料有很好的亲和性能。研究表明，滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料的弯曲性能随硅灰石和滑石粉含量的增加而增大，复合材料的拉伸和抗冲击强度也有所增加，而滑石粉/硅灰石的含量变化对复合材料的熔融温度基本没影响。
关键词：聚丙烯；滑石粉；硅灰石纤维；硅烷偶联剂；复合材料中图分类号：TQ325.7u交
文章编号：1009-797X(2020)22-0009-05
文献标识码：B
DOI:10.13520/jki.rpte.2020.22.002
差式扫描量热仪（DSC）：Q20，美国TA公司；
扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪：GSM-6460LV，日本电子株式会社。
1.3 实验步骤
1.3.1 滑石粉/PP复合材料的制备
将烘干后的滑石粉与聚丙烯按照一定的份数比例称量好，滑石粉添加改性的用量分别为0份，5份，10份，15份，20份，25份（聚丙烯取100份），称量好后做好标记，加入用10 mL酒精稀释好的硅烷偶联剂，硅烷偶联剂用量为滑石粉含量的0.8%。将配好的滑石粉、聚丙烯和稀释后的硅烷偶联剂加入高混机中，在高混机中均匀共混5 min，将混合好的物质置于电热恒温鼓风式干燥箱于80 ℃下干燥2 h。最后将干燥好的共混料用双螺杆挤出机造粒，再注塑成需要测试的样条。
1.3.2 滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料的制备
将前面研究得到的滑石粉的最优份数分别与5份，15份，25份，35份，45份的硅灰石纤维混合。配料前先分别将滑石粉，硅灰石纤维用硅烷偶联剂表面改性处理，硅烷偶联剂的用量为0.8%，将配置好的原料在高混机中均匀共混5 min，将混合好的物质置于电热恒温鼓风式干燥箱于80 ℃下干燥2 h。最后将干燥好的共混料用双螺杆挤出机造粒，再注塑成需要测试的样条。
1.3.3 冲击性能测试
按照GB/T 1843—2008标准测试，用悬臂梁冲击试验机测试注塑样条的缺口冲击强度，缺口制样机制备A型2 mm深缺口，样条规格为80 mm×10 mm×4 mm。
1.3.4 拉伸性能测试
将注塑出哑铃状样条静置24 h后，用万能拉伸试验机按照GB/T 1040.2—2006进行拉伸力学性能测试，拉伸速率设置为50 mm/min，每组取五根，取其平均值。
1.3.5 DSC测试方法
DSC实验采用美国TA公司的Q20来考察滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料的热稳定性。在开机校准后，取复合材料的3~5 mg左右，置于铝制的坩埚中，盖上坩埚盖压实，放入实验炉中，在氮气氛围中，通过Q20型差示扫描量热仪测试，先以升温速率10 ℃/ min由25 ℃升温到250 ℃，恒温5 min消除热历史，以降温速率10 ℃/min由250 ℃降温到25 ℃，恒温1 min，再以升温速率10 ℃/min由25 ℃升温到250 ℃，最后以降温速率25 ℃/min由250 ℃降温到25 ℃，记录各阶段DSC曲线。
1.3.6 电镜（SEM）观察
手机防盗系统将滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料用液氮冷却后掰断得到的冷脆性断面，用导电胶粘贴在样品台上并在其断面进行喷金处理，再将处理后的样品放入电镜样品仓中，抽真空，将样品台调节到合适位
置。电压为20 kV，选择视场和放大倍数开始观察，对样品断面形貌拍照。
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2 结果与讨论
2.1 PP/talc复合材料的力学性能
2.1.1 滑石粉含量对PP/talc复合材料拉伸性能的影响
由图1可知，添加了滑石粉后，PP/talc复合材料拉伸强度均有所提高，且随着滑石粉含量的增加，拉伸强度先呈现出较大幅度的上升，而后呈下降趋势并逐渐平缓，当滑石粉分数为10份时，复合材料的拉伸强度达最大值，此时的拉伸强度比纯PP增加了11.4%
。
图1 不同含量滑石粉的PP/talc复合材料的拉伸强度2.1.2 冲击性能
由图2可知，PP/talc复合材料的缺口冲击强度随着滑石粉含量的增加，先呈现出较大幅度的上升，而后呈下降趋势并逐渐平缓，只有当滑石粉份数为5份时，复合材料的冲击强度有所提高，复合材料的缺口冲击强度达最大值，约为93 kJ /m2，比纯的PP材料的缺口冲击强度提高了32.9%。
图2 不同含量滑石粉的PP/talc复合材料的冲击强度2.2 滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料的力学性能
2.2.1 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维复合材料拉伸性能的影响
由图3知，在滑石粉为5份的基础上，添加不同硅灰石纤维份数制得的滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料中，拉伸强度只在5/15/100的配比下有略微的提高，比纯PP提高了2.8%，其他配比下的复合材料拉伸强度均比纯PP有所下降，而在只加入了滑石粉的条件下，复合材料的拉伸强度均有所提高，由此可见加入硅灰石后，对复合材料的拉伸性能起抑制作用。
图3 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维
复合材料拉伸性能的影响
2.2.2 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维复合材料冲击性能的影响
从图4可以看出，在滑石粉为5份的基础上，添加不同硅灰石纤维份数制得的滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料中，冲击强度先增加后降低，在5/15/100配比下冲击强度最大，比纯PP提高了4.2%，但按上图曲线看来，在只加入滑石粉的条件下，复合材料的冲击强度也没有得到明显的提高，由此可以得出不同配比下的滑石粉/硅灰石纤维对复合材料的冲击强度影响不大。
图4 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维
复合材料冲击性能的影响
2.2.3 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维复合材料弯曲性能的影响pnp网络摄像机
由图5可知，在滑石粉为5份的基础上，添加不同硅灰石纤维份数制得的滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料中，弯曲强度有较大幅度提高，且弯曲强度
随硅灰石纤维含量的增加而增加。
图5 硅灰石纤维含量对聚丙烯/5%滑石粉/硅灰石纤维
复合材料冲击性能的影响
2.3 DSC曲线分析
由图6，图7可以看出，滑石粉、硅灰石的含量变化对复合物的熔融温度相对纯PP有1~2 ℃的增加，但基本没影响；对PP的结晶温度影响较大，但影响有限，结晶温度随着硅灰石含量的增加先增大，后减小，在5/35/100配比下结晶温度达最大值；复合材料
的过冷度为熔融峰温与结晶峰温的差，过冷度越小说明材料越容易从熔融状态转变为结晶状态，即结晶速率越大，由表中数据可以看出，复合材料的过冷度先变小再变大，在5/35/100配比下过冷度最小，所以在该配比下复合材料的结晶速率最大。
图6 硅灰石纤维含量对5%滑石粉/硅灰石纤维/聚丙
烯复合材料结晶性能的影响
图7 硅灰石纤维含量对5%滑石粉/硅灰石纤维/聚丙
烯复合材料熔融温度的影响
2.4 扫描电镜分析
从图8可以看出，复合材料不同配比下的断面都较为粗糙，断面中可见大量取向一致的滑石的片状结构，滑石粉和硅灰石纤维的取向都比较一致，图片中
断裂的硅灰石纤维多于拔出的硅灰石纤维，说明硅灰石纤维与基体之间的粘性破坏减少，硅灰石纤维承受更多的内应力，从而提高复合材料的弯曲性能，观察结果与前面的力学性能测试结果较为一致。
图8 (a)、(b) 为滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯配比为5/15/100，(c)、(d)为滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯配比为
5/25/100的液氮脆断面SEM照片
3 结论
本文通过对比滑石粉对聚丙烯的改性结果，以及添加滑石粉/硅灰石纤维对材料进行增韧改性，对复合材料进行一系列力学性能，结晶性能以及微观结构的研究，得出以下结论：
（1）滑石粉单独作为改性剂对PP进行改性时，经过力学性能测试，在滑石粉添加量为5份时，PP/ talc复合材料的综合力学性能最好。
（2）滑石粉/硅灰石纤维/聚丙烯复合材料的配比为5/15/100时，复合材料的综合力学性能最好，与纯PP相比，该配比下的复合材料拉伸强度比纯PP提高了2.8%，冲击强度比纯PP提高了4.2%，弯曲强度随硅灰石含量的增加而增加。
（3）DSC测试结果表明，在加入了滑石粉和硅灰石纤维后，对复合物的熔融温度相对纯PP有1~2 ℃的增加，但基本没影响；对PP的结晶温度影响较大，但影响有限，结晶温度随着硅灰石含量的增加先增大，后减小，在5/35/100配比下结晶温度达最大值，且5/35/100配比下过冷度最小，所以在该配比下复合材料的结晶速率最大。
参考文献：
[1] 王经武. 聚丙烯改性技术[M]. 北京: 化学工业出版社，2004.
[2] Jahani Y. Comparison of the effect of mica and talc and
c h e m i c a l c o u p l i n g o n t h e r h e o l o g y,m o r p h o l o g y,a n d
m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f p o l y p r o p y l e n e c o m p o s i t e s[J].
切割木块Polym Adv Technol, 2011, 22: 942-950.
[3] 李跃文，陈兴华.聚丙烯/硅灰石复合材料反应增容研究［J］.
工程塑料应用，2010,38(10):18-22.
Preparation and properties of talc / wollastonite fiber / polypropylene
composites
Qiao Sigao1, Chen Shiqi2, Zhou Yanyu2, Wang Xuanlun2*
(1. Chongqing Hi-Lex Cable System Group Co. LTD., Chongqing 400054, China;
2. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,
China)
Abstract: Talc/wollastonite fiber / polypropylene (PP) composites with different proportions were prepared by extrusion injection molding. The effects of the content of talc and wollastonite fiber on th
e mechanical properties, thermal properties and microstructure of polypropylene were studied. The surface of wollastonite fiber and talc was modified by silane coupling agent to improve the surface hydrophobic and lipophilic properties of the modified materials, so that the filler could be evenly dispersed in polypropylene resin and had a good affinity with the matrix material. The results showed that the flexural properties of talc/wollastonite fiber/polypropylene composites increased with the increase of the content of wollastonite and talc, and the tensile and impact strength of the composites also increased. However, the content of talc/wollastonite had no effect on the melting temperature of the composites.
Key words: polypropylene; talc; wollastonite fiber; silane coupling agent; composite material太阳能充电背包
(R-03)更正说明
因编辑排版疏忽，2020年10月第20期文章《伺服电
机直接驱动塑化螺杆在超大型两板机PT6000上的应用》
1.目录作者“实则满”更正为“石则满”
2.正文49页图4应为右图
特此更正。因工作人员失误造成的问题，敬请详解。
图4 齿轮电动机
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