聚甲醛/水镁石纤维复合材料的制备与表征

卢 波，邹光继，季君晖，王萍丽，杨 冰

（1.中国科学院理化技术研究所，北京市 100190；2.中国矿业大学（北京），北京市 100083）

聚甲醛/水镁石纤维复合材料的制备与表征

卢 波1，邹光继2，季君晖1，王萍丽1，杨 冰1

（1.中国科学院理化技术研究所，北京市 100190；2.中国矿业大学（北京），北京市 100083）

以水镁石纤维为聚甲醛（POM）的增强填料，通过熔融挤出法制备了水镁石纤维/POM复合材料，结果表明：在该复合材料体系中，钛酸酯偶联剂是比较理想的水镁石纤维表面改性剂；水镁石纤维对POM可以起到增强作用，当水镁石纤维含量为15%时，弯曲强度增大了12.4%，拉伸强度变化不大；水镁石纤维对POM的结晶温度和熔融温度影响不大，但是结晶度从82.1%降低到66.1%。

聚甲醛 水镁石纤维 表面改性 复合材料

聚甲醛（POM）是一种没有侧链，高密度、高结晶性的线性聚合物，具有优异的综合性能，如抗疲劳强度高；耐磨性能好，磨擦性能非常优异；吸水率低；表面硬度大，刚性好；尺寸稳定性好，产品尺寸的精度高；良好的滑动，被誉为“超钢”或者“赛钢”。POM以低于其他许多工程塑料的成本，正在逐渐替代一些传统上被金属所占领的市场，如替代锌、黄铜、铝和钢等制作许多部件，广泛用于电子电气、机械仪表、汽车、医疗等领域[1-3]。随着POM应用领域的拓展，对其性能也提出了更高的要求，如拉伸强度、弹性模量等。矿物纤维是常用的聚合物增强填料，通过添加矿物纤维制备聚合物基复合材料可提高复合材料的性能。

水镁石纤维是由水镁石矿物的纤维状变体而成的一种新型矿物资源，主要成分是Mg（OH）2，具有优良的力学性能、抗碱性能、分散性能及环境安全性[4-5]。本工作通过双螺杆挤出机制备POM/水镁石纤维复合材料，研究了水镁石纤维有机改性剂、水镁石纤维含量对POM/水镁石纤维复合材料性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

POM，YL90，天津渤化永利化工股份有限公司（原天津碱厂）生产，熔体流动速率为8.42 g/10 min；水镁石纤维，河北省灵寿县冀鸿矿产品加工厂生产，纵纤维，拉伸强度892.4～1 283.7 MPa；硅烷偶联剂KH570，广州亿珲盛化工有限公司生产；硬脂酸、硬脂酸钠，均为分析纯，西陇化工股份有限公司生产；铝酸酯，南京甲冠化工有限公司生产；钛酸酯，广州中杰化工科技有限公司生产；无水乙醇：北京化工厂生产。

CTE-sc-32型双螺杆挤出机，南京波利玛机械设备有限公司生产；HTF1060F3型注塑机，宁波汉通机械设备有限公司生产；INSTRON 5699型万能试验机，美国英斯特朗公司生产；XJ-300A型冲击试验机，吴忠材料试验机厂生产；METTLER TOLEDO型差示扫描量热仪，瑞士梅特勒-托利多公司生产；S-4300型扫描电子显微镜，日本日立公司生产。

1.2 试剂制备

1.2.1 水镁石纤维的表面改性

先将水镁石纤维放入适量去离子水中置于高速搅拌机下分散；称取占水镁石纤维质量1%～2%的偶联剂，按质量比1∶10溶于无水乙醇中；然后将偶联剂溶液倒入水镁石纤维悬浮液中，放入油浴中加热到60～80 ℃，继续搅拌50～80 min；完成后进行抽滤、烘干[6-9]。

1.2.2 POM/水镁石纤维复合材料的制备

将质量分数3%的改性水镁石纤维添加到POM基体中，置于挤出机中制备成POM/水镁石纤维复合材料，挤出机机尾到机头各段温度分别为170，180，180，180，180，170 ℃。考察POM/水镁石纤维复合材料的力学性能，对偶联剂进行初步筛选；确定偶联剂后，制备纤维质量分数分别为1%，3%，5%，10%，15%，20%的复合材料，考察不同含量对产物各项性能的影响。

1.3 测试与表征

1.3.1 差示扫描量热法（DSC）测试

用差示扫描量热仪在一定升降温速率下考察复合材料的非等温结晶过程，称取5 mg左右试样，置于坩埚中，在氮气氛围中测试。从25 ℃以10 ℃/min升至200 ℃，恒温5 min以消除热历史，以10 ℃/min降温至25 ℃使其结晶，再以10 ℃/min升至200 ℃。

1.3.2 扫描电子显微镜（SEM）观察

将试样置于液氮中将其脆断，将断裂表面进行喷金处理后，用SEM观察表面形貌。

1.3.3 力学性能

用注塑机制备标准样条，样条在实验室环境中放置24 h以上，依据GB/T 1040.2—2006和GB/T 9341—2008，用万能试验机进行拉伸和弯曲性能测试，拉伸速度50 mm/min，弯曲实验速度2 mm/min。依据GB/T 1043—2008，用冲击实验机进行缺口冲击实验。每组均至少测定4次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 水镁石纤维改性剂的筛选

从表1看出：不同表面改性剂处理后的POM/水镁石纤维复合材料的拉伸强度均有所提高，断裂拉伸应变、弯曲强度和冲击强度均下降，经钛酸酯偶联剂改性后的复合材料各项性能相对较为均衡，故确定采用钛酸酯偶联剂为改性剂。

表1 不同表面改性剂处理后的POM/水镁石纤维复合材料的力学性能Tab.1 The mechanical properties of the POM/fibrous brucite composites with different surface modification agents

2.2 DSC分析

从表2看出：水镁石纤维的加入对POM的结晶温度（tc）和熔融温度（tm）影响不大，但是对结晶度（Xc）有一定影响，纤维的加入降低了POM 的Xc，且随着纤维含量的增加，Xc呈越来越低的趋势。

表2 POM/水镁石纤维复合材料熔融行为和结晶行为Tab.2 The melt behavior and crystallization behavior of the POM/fibrous brucite composites

2.3 微观形貌

由于水镁石纤维含量较少，所以从图1a、图1b、图1c很难看到纤维分布。随着水镁石纤维含量的增多，图1d、图1e、图1f可以明显看出水镁石纤维在聚合物基体中的分散情况。水镁石纤维在基体中分散比较均匀，并且多数成纵向排列，在一定程度上起到了增强填料的作用；但是随着水镁石纤维含量的增多，尤其当质量分数超过15%时，可以看出聚合物基体出现了很多孔隙，呈现不连续相，可能是因为水镁石纤维含量过多，导致纤维团聚，无法在基体中很好地分散，会对相关的力学性能产生不利影响。

图1 POM/水镁石纤维复合材料断面SEM照片Fig.1 The micrographs of POM/fibrous brucite composites

2.4 力学性能

从图2看出：拉伸强度随着水镁石纤维含量的增多呈先增后降趋势，断裂拉伸应变降低很快；当水镁石纤维质量分数小于10%时，拉伸强度小幅提高，但当水镁石纤维质量分数超过10%，拉伸强度随纤维含量增加而减小。这能是因为随纤维含量增多，纤维在聚合物基体中无法均匀分散，也有可能是两者相容性变差导致在基体中形成缺陷。弯曲强度和弯曲模量随纤维含量增多逐渐提高；冲击强度随着纤维含量的增加而降低。

图2 不同水镁石纤维含量对复合材料力学性能的影响Fig.2 Effect of different contents of fibrous brucite on mechanical properties of composites

综上所述，随着水镁石纤维含量的增多，拉伸强度、弯曲强度和弹性模量均有所提高，且弯曲强度有较大的增长幅度。这说明水镁石纤维对POM可起到增强作用。同时，断裂拉伸应变和冲击强度均随水镁石纤维含量的增多而降低，说明水镁石纤维不能对POM起到增韧作用。

3 结论

a）随水镁石纤维含量增多，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均有所提高，而断裂拉伸应变和冲击强度却呈下降趋势，说明水镁石纤维对POM可起到增强的作用，但无增韧的效果。

b）水镁石纤维的加入，对POM的tc和tm影响不大，但Xc减小，起抑制结晶的作用。

c）经过改性后的水镁石纤维可以较均匀地分散在基体中，但随着纤维含量的增多，POM基体出现许多孔隙，形成不连续相，对其相关性能造成不利影响。

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Preparation and Characterization of fibrous brucite/polyoxymethylene composites

Lu Bo1， Zou Guangji2， Ji Junhui1， Wang Pingli1， Yang Bing1

（1.Technical Institute of Physics and Chemistry， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.China University of Mining & Technology， Beijing 100083，China）

Polyoxymethylene/ Fibrous Brucite composite materials were prepared by melt blending and extrusion. The composite materials were characterized by DSC， SEM， mechanical test. The results show that titanate coupling agent is a ideal surface modifier for fibrous brucite. The fibrous brucite can reinforce polyoxymethylene. When the sample contained 15% fibrous brucite， the flexural strengthwas increased by 12.4% while the tensile strength changed slightly. Adding the fibrous brucite， the crystallinity temperature and melting temperature of POM keep largely invariant， but the degree of crystallinity reduced from 82.1% to 66.1%

polyoxymethylene；fibrous brucite；surface modification； composite

O 631.2+1

B

1002-1396（2015）05-0032

2015-04-13；

2015-07-01。

卢波，男，1985年生，助理研究员，2010年毕业于中国地质大学（北京）化学专业，主要研究方向为降解高分子复合材料。联系电话：（010）82543431，E-mail：lubo@ mail.ipc.ac.cn。