玻璃纤维/餐厨钙化物/聚丙烯复合材料的制备与性能研究

冼嘉明，陈佳侠，曹琳，柏晓鹤，林志丹

（暨南大学理工学院材料科学与工程系，广东 广州 510632）

玻璃纤维/餐厨钙化物/聚丙烯复合材料的制备与性能研究

Preparation and properties of glass fi ber / kitchenware calcifi cations / polypropylene composites

冼嘉明，陈佳侠，曹琳，柏晓鹤，林志丹

（暨南大学理工学院材料科学与工程系，广东 广州 510632）

通过熔融挤出法制备了玻璃纤维/餐厨钙化物/聚丙烯复合材料，并对复合材料进行了力学性能以及微观形貌的测试，结果表明经过庚二酸钙表面改性的刻蚀玻纤能够有效的提高材料的抗冲击性能，餐厨钙化物的加入进一步提升了冲击强度。其中，最高值为PP10GF1的61.3 J/m，相对PP的纯29.9 J/m提升了105.1%。因为改性后玻纤与PP相容性一般，拉伸强度整体上有少许的下降，添加餐厨钙化物后，由于会出现团聚现象，对拉伸强度产生了负面的影响。

玻纤；餐厨钙化物；聚丙烯；力学性能；微观结构

1 介绍

聚丙烯是通用塑料之一，是一种具备多种优良性能的热塑性高分子，其产品具有密度小、透明度高、化学稳定性好、无毒、易加工以及成本低等优点，正广泛应用于汽车、家电、食品包装、电子电器、农业及建材等领域［1～3］。

目前，为了增强和降低成本，使用玻纤（GF）、碳酸钙填充是常用的手段，但会对抗冲击性能有一定的影响［4～5］；而为了提高冲击强度，现阶段可通过添加β成核剂来改变晶型达到增韧的效果［6～7］。本文使用PP为基体，表面改性玻纤为增强体兼成核剂，餐厨生物钙化物为填充物，一方面为玻纤改性PP提供了新方法，另一方面将餐厨垃圾变废为宝，绿色环保，具有不错的应用前景。

2 实验

2.1 实验原料与仪器

2.1.1 实验原料

聚丙烯（HP500N）；庚二酸（纯度98%以上）；氢氧化钙（分析纯）；短切玻纤（4 mm）；餐厨鸡蛋壳（D）和白贝（B）；浓硫酸（浓度98%）；浓盐酸（37%）

2.1.2 实验仪器

中药粉碎机（JP1000B—8）；双螺杆挤出机（SHJ—20）；注塑机（HT—880）；万能材料试验机（Zwick/Roell Z005）；全自动电脑干燥箱（EDHG-9140C）；场发射扫描电镜（Ultra55）；冲击试验机（ZBC50）。

2.2 样品制备

将餐厨生物钙化物处理干净后烘干，利用高速破碎机破碎成粉后，经200目筛子过筛后备用；使用浓硫酸和浓盐酸分别配制浓度为0.3 mol/L的稀硫酸和稀盐酸，再将二者混合，往其中放入玻纤，在60 °C下刻蚀5 h后，用蒸馏水反复清洗，然后在85 °C下干燥备用；将氢氧化钙与庚二酸按1：1反应24 h得到庚二酸钙沉淀，清洗干净烘干备用；用蒸馏水溶解适量庚二酸钙浸润刻蚀玻纤得到表面改性玻纤（GF1）；将PP、GF1和餐厨钙化物按照表1的配方进行混料，然后通过挤出机挤出切粒。

表1 玻璃纤维/生物钙化物/聚丙烯复合材料的配比及力学性能

2.3 力学性能测试

根据ASTM标准方法进行拉伸、弯曲和冲击性能的测试。对于每一个不同种的复合材料中，取5个试样进行了不同的力学性能测试。拉伸强度按ASTM D—638标准测试，拉伸速度为50 mm/min，测试温度为23 ℃；弯曲性能按ASTM D—790标准测试，测试速率为2 mm/min，测试温度为23 ℃；悬臂梁缺口冲击按ASTM D—256测试，测试温度为23 ℃，摆锤能量等级为5.5 J。

2.4 微观形貌测试

采用共混物的冲击断裂面的标本，经过喷金处理，置于场发射扫描电镜下观察，得到断面形貌。

3 结果分析

3.1 力学性能

从表1可知，添加庚二酸钙表面改性的玻纤GF1后，冲击强度有大幅度的提升，并且会随着玻纤含量的增加而增加，最高值为PP10GF1的61.3 J/m，相对纯PP的29.9 J/m提升了105.1%，增大了一倍多，效果显著。这种现象一方面是因为短切玻纤在冲击时可以作为应力承受点，另一方面是因为庚二酸钙可诱导生成β晶体，该晶体是小球晶，具备韧性大这个优点，在两者共同作用下提升了复合材料的韧性；但是，由于β晶体本身强度不高，导致PP在晶型变化后，拉伸强度有下降的现象。值得注意的是，PP5GF1的冲击强度相对其他填充量不高，但是拉伸强度却比纯PP有所提升，达到35 MPa，这可能是因为，晶型转变增韧作用和玻纤增强作用两者博弈中，玻纤增强起主导引起的。另外，餐厨钙化物的加入，能够进一步增强抗冲击性能，这可能是由于钙化物作为刚性粒子，能作为应力集中点抵抗冲击形变。但由于钙化物是无机粒子，与PP相容性一般，会导致拉伸强度的下降。

3.2 断面形貌

图1 PP5GF110D的断面形貌

由图1可知，PP5GF110D样品断面不平整，存在凹凸不平现象，这是因为PP生成的是β晶体，并不是单纯的α晶体的脆性断裂；表面改性后的玻纤与基体的相容性一般，在受到冲击时，会出现抽离现象，这也是导致拉伸强度的下降的因素；鸡蛋壳粉能够均匀分布在PP中，大体上与PP界面结合良好，因而会使冲击性能提高，但由于含量相对较高，会出现部分团聚，影响了复合材料的整体性，对拉伸强度造成负面影响。

4 结论

利用混合稀硫酸和稀盐酸刻蚀玻纤后，再用庚二酸钙表面改性，得到了GF1。将改性玻纤、餐厨钙化物和聚丙烯三者熔融共混挤出得到复合材料，其冲击强度会随着玻纤含量的增加而增加，且提升效果明显，但拉伸强度会有所下降。玻纤与PP的相容性一般，表面粘着能力不强，加入的餐厨钙化物分布均匀，部分会出现团聚。

［1]杜新胜，吕锋. 聚丙烯研究与进展［J］. 化工中间体，2008，12：10～14.

［2]李蕴能，孟丽萍，王德禧，颜发清. 聚丙烯共混改性研究新进展［J］. 工程塑料应用，1996，03：51～54+57.

［3]许越峥，张林. 聚丙烯成核剂的种类、作用及其最新研究进展［J］. 国外塑料，2005，02：38～41.

［4]陈民杰，张勇，张隐西.短玻纤增强聚丙烯的研究进展［J］. 中国塑料，2004，08：3～8.

［5]钟明强，濮阳楠，益小苏，Jacobs O. 短玻纤增强聚丙烯注射压力对微观结构和力学性能影响［J］. 复合材料学报，2000，04：6～10.

［6]王海平，王标兵，杨云峰，胡国胜. 聚丙烯增韧改性的研究进展［J］. 绝缘材料，2009，01：29～32.

［7]赵红振，齐暑华，周文英，刘乃亮. 聚丙烯增韧改性最新进展［J］. 化学推进剂与高分子材料，2007，01：27～32.

（P-01）

TQ327

1009-797X（2016）04-0047-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.04.018

冼嘉明（1991-），男，暨南大学材料科学与工程系材料加工工程专业硕士生，主要从事高分子加工与改性方面的研究。

2015-12-01

项目支持：1.广东省产学研重点项目（2013B090200025）；2.广东省科技计划项目（2013B010403013）；3.暨南大学2015年度大学生创新创业训练计划项目（CX15004）。