改性硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的制备与性能研究

冉敬文，尹文旭

(1.黄冈师范学院 化工学院，湖北 黄州 438000;2.中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，中国科学院青海盐湖研究所，西宁 青海 810008)



改性硼酸镁晶须/聚丙烯复合材料的制备与性能研究

冉敬文1，2，尹文旭1，2

(1.黄冈师范学院 化工学院，湖北 黄州 438000;2.中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，中国科学院青海盐湖研究所，西宁 青海 810008)

本文分别选用硅烷偶联剂KH-550和硼酸酯偶联剂(BE)对自制硼酸镁晶须(MBOw)进行表面改性，深入探讨了两种偶联剂对硼酸镁晶须表面性质的影响；通过熔融共混法将其填充到聚丙烯中制成复合材料，系统研究了硼酸镁晶须对所制得的复合材料性能的影响，优化了制备条件。结果表明：BE偶联剂能有效改变硼酸镁晶须的表面性质，改性后的晶须加入聚丙烯中熔融混炼制得的复合材料拉伸强度、拉伸模量分别提高38.2%和52.5%，添加量以12.0%～18.0%的比例为宜。

硼酸镁晶须；表面改性；复合材料；拉伸性能

近些来，具有结构特殊和性能优异的新型功能材料是科学家们一直研究的热门，其低成本的应用是人们关注的重点。硼酸镁晶须是一种新型的高强度、高模量、高耐磨和高耐热的材料[1-2]，并且原料易得，与环境协调性好，同时其价格仅是碳化硅晶须的1/20 ～1/30[3-4]。因此，它是一种性价比高的晶须产品，具有广泛应用潜力。聚丙烯(PP)具有成本低、密度小、化学稳定好等优点，但是其低温脆性、成型收缩率大等缺点，极大限制了其应用范围。如果二者有机结合，优势互补，将有效拓展其工业应用。

本文选用硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)和硼酸酯偶联剂三异硬脂酸酰氧基硼酸酯(BE)对硼酸镁晶须进行表面改性，深入探讨两种偶联剂对其表面性质的影响；采用熔融共混法将硼酸镁晶须和改性后的晶须与PP填充形成PP基复合材料，系统研究其对复合材料性能的影响；通过仪器手段对复合材料进行强度性能测试，得出了最优方案。

1　材料和方法

1.1材料

本实验采用硼酸镁晶须材料系作者实验室所合成(WMg=31.2%)；聚丙烯(PP)，大华塑胶公司生产；3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，98%，沃凯试剂；三异硬脂酸酰氧基硼酸酯(BE)；南京道宁化工有限公司；丙酮及无水乙醇，分析纯，国药试剂。

万能力学试验机QT-6100A，谦通仪器设备有限公司；双混混炼机SC-7063，品诚检测仪器有限公司；冲片机XJJY-50，承德科承试验机有限公司。

1.2制备方法

(1)硼酸镁晶须的表面处理：将一定量的KH-550和BE偶联剂分别加热溶解(50 ℃)，配制成KH-550/丙酮溶液和BE/乙醇溶液；定量加入一定量的硼酸镁晶须，超声波分散1 h后转入培养皿中50 ℃挥发掉溶剂，期间尽量让晶须均匀分散在培养皿底部以减少团聚，待溶剂挥后升温至105 ℃干燥，备用。

(2)熔融混炼和制片:称取一定量经表面处理后硼酸镁晶须，按一定比例加入聚丙烯树脂，一并加入混炼机中180 ℃熔融混炼20 min，混炼半成品在压片机上挤在成型(185 ℃，10.0 MPa)，保压10 min后移至冷压机上再保压(10.0 MPa)10 min即得样品，后性能测试。

2　结果与讨论

2.1改性剂种类对硼酸镁晶须的影响

图1是硼酸镁晶须在改性前后的SEM图。可以看出，未改性的硼酸镁晶须团聚在一起，很难分散，图1(a)水作分散剂；经过BE改性后的硼酸镁晶须分散均匀，见图1(b)，经过KH-550改性后的硼酸镁晶须分散效果不好。这说明硼酸镁晶须的改性与改性剂的极性和种类有关，改性前与非极性的相容性较差，显示出极强的亲水疏油性，而改性后的硼酸镁显示出较好的亲油疏水性。若填充材料与基体材料的表面性质相近，则它们在复合时相容性较好；反之，则相容性较差。PP作为典型的非极性树脂，具有较强的疏水性。由此可见，未改性的硼酸镁晶须与非极性的PP基体之间的相容性较差。而改性后的硼酸镁表面性质较改性前发生根本变化，与PP表面性质相似，因此，BE能够改善硼酸镁晶须与PP之间的相容性。

2.2晶须加入量对复合材料力学性能的影响

MBOw及BE对复合材料力学性能的影响，可对比复合材料拉伸及冲击性能的测试结果进行分析。图2显示了MBOw及BE对复合材料的拉伸强度。从图2中可以看出，如果对MBOw不进行改性，MBOw/PP复合材料其拉伸强度随MBOw添加量的增加呈现小幅先增后减趋势，变化不明显；当对MBOw用BE进行有效改性后所得复合材料随MBOw的加入，体系的拉伸强度有较显著的提高，达到38.2%，这归因于MBOw经BE改性后BE分子在MBOw表面聚合形成有机包覆膜，增强了与基体PP的亲和力，有效改善了二者之间的兼容性。但在MBOw含量超过了18.0%后，其拉伸强度开始下降，这主要是由于晶须粒子的大幅度增加，其团聚的倾向更为明显，在拉伸过程中，团聚体会作为材料中的缺陷产生应力集中，从而造成拉伸强度的降低。尽管如此，此时的拉伸强度仍高于纯PP体系，这说明MBOw对PP起到了增强的作用；在MBOw/PP复合材料中引入BE后，体系的拉伸强度随着MBOw含量的增加而提高，这是因为经BE改性后的MBOw在PP基体中的分散性得到较大的改善，即使含量达到12.0%～18.0%时，也并未出现未改性MBOw的团聚现象，使得MBOw的有效增强面积增大，故BE改性后的MBOw增强作用明显。

图3为MBOw/PP以及MBOw/PP/BE复合材料的拉伸模量，从图3中可以看出，未改性的MBOw/PP复合材料拉伸模量小幅上升后不再明显变化，而改性后的MBOw/PP/BE复合材料的拉伸模量随MBOw含量的增加均呈现出显著上升的趋势，这是由于MBOw作为一种优异的增强体，具有较高的模量，将其填充到PP中会起到提高材料刚性的作用，而用BE 改性后的MBOw填充到PP基体中后，复合材料的拉伸模量会进一步的增大，且上升趋势明显，说明BE改性后的MBOw具有更强的增刚作用。当拉伸模量增大到一定程度后反而下降，这是由于二者比例发生较大变化，各相界面产生缺陷作用更明显所致。

图2　BE表面处理前后MBOw/PP复合材料拉伸强度与MBOw含量关系比较

图3　BE表面处理前后MBOw/PP复合材料拉伸模量与MBOw含量关系比较

3　结论

使用BE偶联剂能够有效修饰MBOw的表面性质，从而改善与PP材料的相容性；当MBOw的填充量在12.0%～18.0%之间时，使用改性的MBOw与PP复合形成复合材料可以提高拉伸强度38.2%，拉伸模量52.5%，整体材料的强度和刚性明显改善。

致谢本研究得到了黄冈市科技局的大力支持，特此感谢！

[1]辛绍强，张雨山，刘伟，等.硼镁酸晶须增强镁基复合材料力学性能研究[J].天津化工，2012，26(6)：34-36.

[2]王瑾，徐从升，杜明亮，等.改性硼酸镁晶须/丁苯橡胶复合材料的制备与性能[J].橡胶工业，2012，59(8)：459-463.

[3]魏珂瑶，周莉，李玉玲.硼酸镁晶须应用研究新进展[J].化学与黏合，2012，34(5)：75-78.

[4]吴永嘉，陈善华.聚丙烯/Mg2B2O5晶须复合材料的非等温结晶动力学研究[J].塑料工业，2012，40(2)：83-86.

责任编辑王菊平

A study on preparation and characterization of modified magnesiumborate whisker/polypropylene composites

RAN Jing-wen1，2, YIN Wen-xu1，2

(1.College of Chemical Engineering, Huanggang Normal University, Huangzhou 438000, Hubei, China;2.Key Laboratory of Comprehensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources，Qinghai Institute of Salt Lake，Chinese Academy of Sciences, Qinghai Xining, 810008)

KH-550 and borate ester (BE) coupling agents were chosen to modify the surface of magnesium borate whisker (MBOw) synthesized by ourselves. The effect of the two coupling agents for the surface properties of MBOw were studied in detail. The synthesis and optimal conditions of composite material PP/MBOw were discussed. The results showed that BE coupling reagent could change the surface property of MBOw and that the modified whiskers could extend the tensile strength and tensile modulus of the composite material PP/MBOw 38.2% and 52.5% respectively. The additive amount was optimally 12.0%～18.0%.

magnesium borate whisker; surface modification; composite materials; tensile properties

TQ333

A

1003-8078(2016)03-0022-03

2016-03-16

10.3969/j.issn.1003-8078.2016.03.06

冉敬文,男，湖北松滋人，副教授，博士，主要研究方向为功能材料的合成与表征。