耐水煮玻璃纤维增强聚丙烯的研制

裘浩成，娄小安，孟成铭

(上海日之升新技术发展有限公司，上海 201109)

耐水煮玻璃纤维增强聚丙烯的研制

裘浩成，娄小安，孟成铭

(上海日之升新技术发展有限公司，上海 201109)

摘要分析了水煮时间对玻璃纤维增强聚丙烯力学性能的影响；研究了基料、相容剂对材料耐水煮性能的影响，并利用扫描电子显微镜观察了玻璃纤维增强聚丙烯的形貌。结果表明：以低熔融指数的聚丙烯为基体，采用高热稳定的相容剂有利于玻璃纤维增强聚丙烯耐水煮性能的提高，能够将力学性能下降率控制在10%以内。

关键词耐水煮； 相容剂； 聚丙烯

玻璃纤维增强聚丙烯作为一种通用热塑性增强复合材料，具有高强度、高刚性、高耐热性及低收缩率等特点，广泛应用于汽车、家电、化工等行业。聚丙烯本身不吸水，但是玻璃纤维以及相容剂的加入，导致材料的吸湿性增强，在热水的长期作用下，材料的性能显著下降[1-2]。笔者研究了水煮对材料性能的影响，并通过优化配方制得耐水煮玻璃纤维增强聚丙烯材料，可适用于水泵、汽车水箱等高温、高湿环境下使用的制件。

1实验

1.1　原料

聚丙烯(PP1)F 401，(熔融指数：2 g/min), 扬子石化公司；聚丙烯(PP)2S 700(熔融指数：10 g/min),扬子石化公司；聚丙烯(PP 3)S 2040(熔融指数：30 g/min)，上海赛科；无碱玻璃纤维GF 988A,巨石集团有限公司；相容剂1(聚丙烯接枝马来酸酐)市售； 相容剂2(聚丙烯接枝马来酸酐)市售；其他助剂市售。

1.2　仪器及设备

双螺杆挤出机KS 36，昆山科信机械设备有限公司；注塑机HTF 80X 1，宁波海天注塑机厂；微机控制电子万能试验机CMT 6104，深圳新三思材料检测公司；悬臂梁冲击仪JS-25，承德精密试验机公司；数显恒温水浴箱HH-6，江苏普锐斯仪器有限公司；扫描电子显微镜Dimension 3100，Veeco；混料机SPQB-50，郑州天凯机械设备有限公司；DSCPT10，德国林塞斯。

1.3　试样的制备

将质量分数分别为75%的聚丙烯、4%的相容剂及1%的其他助剂，在混料机中混合5 min，置于主喂料中，质量分数为20%的连续长玻璃纤维从玻璃纤维口进入，经双螺杆挤出机挤出、造粒、烘干，将粒料注塑成样条。

1.4　性能表征

将样条置于数控恒温水浴箱中，温度控制在100 ℃，经过一定时间后取出，擦干，静置24 h后，测试样条的拉伸强度、弯曲模量及缺口冲击强度。

2结果与讨论

2.1　水煮时间对玻璃纤维增强聚丙烯性能的影响

分别对样条水煮6 h、12 h、24 h、48 h，比较水煮时间对玻璃纤维增强聚丙烯的缺口冲击强度、拉伸强度和弯曲模量的影响，如图1、2所示。

图1　水煮时间对缺口冲击强度和拉伸强度的影响

随着水煮时间的延长，玻璃纤维增强聚丙烯的缺口冲击强度和拉伸强度迅速下降，但是下降幅度逐渐减小。这是由于玻璃纤维表面存在亲水的羟基，相容剂聚丙烯接枝马来酸酐也具有亲水性，而聚丙烯是疏水的，在低温条件下，聚丙烯的分子链冻结，水分子很难穿透聚丙烯分子与相容剂及玻璃纤维作用；而在较高温度下，聚丙烯分子的链段开始活动，致使水分子容易穿透聚丙烯分子与相容剂及玻璃纤维作用，破坏了两者的结合，进而破坏基体与树脂的结合。水煮时间越长，影响越明显，因此，玻璃纤维增强聚丙烯的缺口冲击强度和拉伸强度急剧下降。当水煮时间超过48 h后，相容剂几乎失去作用，因此，力学性能趋于恒值。

图2　水煮时间对弯曲模量的影响

水煮时间对玻璃纤维增强聚丙烯的弯曲模量影响不大。这是由于弯曲模量表征材料的刚性，玻璃纤维与基体界面变化不会影响材料的刚性。

2.2　影响玻璃纤维增强聚丙烯耐水煮性的因素

由图1可知：玻璃纤维增强聚丙烯材料在水煮24 h后，其缺口冲击强度和拉伸强度的下降幅度已经很小。因此，以水煮24 h玻璃纤维增强聚丙烯的缺口冲击强度和拉伸强度的下降率评价其耐水煮性能。研究基体的熔融指数、相容剂和螺杆组合对耐水煮玻璃纤维增强聚丙烯性能的影响。表1为不同基体、不同相容剂的玻璃纤维增强聚丙烯材料在水煮前后的缺口冲击强度和拉伸强度。

表1　水煮前后的拉伸强度和缺口冲击强度对比

2.2.1聚丙烯基体的熔融指数

不同熔融指数的聚丙烯为基体的玻璃纤维增强复合材料，经水煮后的性能下降率，如图3所示。由图3可知：基体树脂的熔融指数越小，复合材料的耐水煮性能越好。这是由于聚丙烯的黏度越大，相对分子质量越高，分子间的链段缠结也越多，分子间的作用力大，水分子不易渗透到玻璃纤维和相容剂的界面[3]。

图3　PP的熔融指数对复合材料耐水煮性能的影响

2.2.2相容剂

不同相容剂的热稳定性不尽相同。随着水煮时间的延长，相容剂会逐渐失效。通过测定相容剂的氧化诱导期[4]来表征相容剂热稳定性的差异。氧化诱导期是测定试样在高温(200 °C)、氧气存在的条件下，开始发生自动催化氧化反应的时间，用以评定材料的热老化性能。

比较了两种相容剂的氧化诱导期。相容剂2具有更好的热稳定性，如图4所示。

图4　相容剂的氧化诱导期

分别在体系中加入相同质量的相容剂，研究相容剂对复合材料耐水煮性能的影响，如图5所示。由图5可知：采用高热稳定的聚丙烯接枝马来酸酐的，其拉伸强度和缺口冲击强度仅下降了5.5%和16.1%，而普通的聚丙烯接枝马来酸酐则分别下降了25%和30%。这是由于高热稳定的聚丙烯接枝马来酸酐的产品纯度更高，过氧化物残留量更低，相容剂与玻璃纤维结合得更稳定，水分子的破坏作用相对较小。

图5　相容剂对复合材料耐水煮性能的影响

上述试验结果表明：采用低熔融指数的聚丙烯和高热稳定的相容剂，制得的玻璃纤维增强聚丙烯(PP1/GF/PP-g-MAH2)的耐水煮性能优异，水煮后拉伸强度和缺口冲击强度分别仅下降了4.0%和7.6%。

为了进一步验证高热稳定相容剂对玻璃纤维增强聚丙烯耐水煮性的影响，利用扫描电子显微镜观察玻璃纤维增强聚丙烯的形貌，如图6所示。

图6　玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的形貌

由图6可知：使用相容剂2，可增强聚丙烯与玻璃纤维的界面黏结，聚丙烯树脂对玻璃纤维包覆得更好。这有利于抵抗水分子对其界面的破坏。

3结语

(1) 水煮会造成玻璃纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能和冲击性能下降，其下降的幅度随水煮时间的延长逐步减小，而弯曲性能影响不大。

(2) 增加聚丙烯的相对分子质量，采用高热稳定的相容剂，有利于玻璃纤维增强聚丙烯的耐水煮性。通过调整配方，可有效改善复合材料的耐水煮性，将拉伸强度和缺口冲击强度的下降率控制在10%以内。

参考文献：

[1]周晓东,戴干策. 玻璃纤维毡增强聚丙烯复合材料的湿热稳定性[J].玻璃钢/复合材料,1999, 1(1):16-19.

[2]周晓东,林群芳,戴干策. 环境因素对玻璃纤维增强聚丙烯界面的损伤[J].塑料工业,2000,28(1):18-19.

[3]杨卫疆,戴干策. 界面处理和冷却条件对玻璃纤维与聚丙烯界面结合的影响[J].华东理工大学学报,1998,24(6):675-679.

[4]张瑾.聚烯烃氧化诱导期的测试[M]. 光纤与电缆及其应用技术，2008(6)：25-27.

·研究与应用·

Preparation of Glass Fiber Reinforced Polypropylene

with Boiling Water-Resistant Performance

QIU Hao-cheng, LOU Xiao-an, MENG Cheng-ming

(Shanghai Sunny New Technology Development Co.Ltd., Shanghai 201109, China)

Abstract：The effect of poaching time on the mechanical property of glass fiber reinforced polypropylene was analyzed. The effects of base material, compatibilizer on the boiling water resistant property were studied, and the morphology of glass fiber reinforced polypropylene was observed by scanning electron microscopy. The results show that using low molten index polypropylene as base resin and the high thermal stability compatibilizer could improve the boiling water-resistant property of glass fiber reinforced polypropylene, and the degradation rate of mechanical property is controlled within 10%.

Key words：boiling water-resistant; compatibilizer; polypropylene

收稿日期：(2015-05-13)

作者简介：裘浩成(1987—)，男，硕士，工程师，从事聚合物加工改性、复合材料界面等研究。

中图分类号：TQ 320

文献标志码：A

文章编号：1009-5993(2015)02-0031-03