金属铝粉/无机多孔粉末改性PP基复合材料的性能研究

管东波，黄加明，翟晓杰，李金良

(吉林大学材料科学与工程学院，教育部汽车材料重点实验室，吉林 长春 130025)

1 引 言

与其它制品相比，塑料制品因其价格低、制造工艺简单，受到越来越广泛的关注。聚丙烯(PP)是应用较为广泛的热塑性合成树脂之一,与其它塑料相比,其综合性能较好，其制品无毒无味，光泽性好且耐化学药品性能稳定，广泛用于汽车及日用品等领域[1]。另外，因其具有一定的可塑性，聚丙烯制品正逐步替代木制产品，其高强度韧性和高耐磨性能还可部分替代金属。一般聚丙烯的熔融温度介于164℃～170℃之间，在这个区间内，聚丙烯具有良好的流动性。但聚丙烯成型时收缩率较大，冲击强度较低，大大限制了其推广和应用[2]。

为了改善聚丙烯的加工及使用性能，一般采用共混、填充等方法对其进行改性。常见的共混方法是采用无机粒子[3]、橡胶弹性体[4]、有机高分子[5]对其进行增韧改性，这已成为当前研究的热点。其中，无机粒子与聚丙烯共混改性复合材料由于具有良好的增强、增韧效果，并能提高聚合物基体耐热性，近年来被广泛研究和应用。

无机刚性粒子对聚合物的增韧原理是通过刚性粒子促使聚合物基体产生塑性形变和屈服以消耗、吸收外界的能量，由此提高复合材料的韧性。因此，要求聚合物基体具有一定的形变能力。PP为半结晶聚合物，其韧性较差，会影响无机刚性粒子的增韧效果[6]。金属铝粉具有较好的光学性能、力学性能以及良好的耐热性，广泛用于塑料、涂料、耐火材料及印刷等行业[7]，因此可在共混体系中加入少量的铝金属粉末对其进行改性。

本文通过添加一定比例的金属铝粉和多孔粉末对PP进行共混改性，以期提高其综合性能。对不同无机多孔粉末添加比例的复合材料性能进行研究，找出性能最为优异的配比。

2 试验部分

2.1 主要原料

PP，T30S，中国石油大庆石油化工总厂生产；铝金属粉末，深圳绚琳金属色料有限公司；ShinelinTM环保新型功能助剂，型号：990多功能助剂，深圳绚琳金属色料有限公司。

2.2 复合材料的制备

向100g聚丙烯(PP)材料中添加相当于PP质量2%的铝金属粉末，然后加入相当于PP质量的0%，1%，3%，5%，7%，9%的无机多孔粉末，用玻璃棒搅拌均匀后将其倒入一定温度的密炼机中，在一定的转数下搅拌10min后取出复合材料，然后采用热压法制板进行测试。

2.3 性能测试

拉伸性能测试：采用长春市智能仪器设备有限公司WSM-5kN计算机控制电子万能试验机测试。

冲击性能测试：采用长春市智能仪器设备有限公司JJ-20B型摆锤冲击试验机，无缺口试样，符合GB/T 1843-2008要求。

球压痕硬度测试：采用长春市圣族检测仪器开发有限公司的QYS-96塑料球压痕硬度计测试。

热失重分析(TGA)：采用北京恒久科学仪器厂的T15-218型微机热天平，在N2气氛环境下测试。

3 试验结果与分析

3.1 复合材料的拉伸强度

图1是复合材料的拉伸强度图。由图可见，随着多孔粉体添加量增大，复合材料的拉伸强度呈现先减小后增大的趋势。当多孔粉体的含量为3wt%时，拉伸强度降至最低；当多孔粉体的含量为9wt%时，拉伸强度达到最大值。这可能是由于多孔粉体添加较少时，低比例的多孔粉体受力面积较小，在一定的外力作用下，基体树脂很容易会在粉体表面分开，因而复合材料的拉伸强度一般都会低于基体树脂[8]。高比例的粉体受力面积变大，使复合材料的拉伸强度得以提高。本试验中，当多孔粉体含量为9wt%时，拉伸强度达到较大值。

图1 复合材料的拉伸强度

3.2 复合材料的冲击强度

图2为复合材料的冲击强度图，从图中可以看出，随着多孔粉体含量的增大，复合材料的冲击强度呈逐渐上升的趋势。当多孔粉体的含量为9wt%时，冲击强度达到最大值，这可能是随着多孔粉末含量的增加，复合材料能起到应力集中点的颗粒随之增加，体系的强度得到提高。当多孔粉末的含量为9wt%，冲击强度最大。

图2 复合材料的冲击强度

3.3 复合材料的硬度

图3是复合材料的球压痕硬度图，从图中可以看出，随着多孔粉体含量的增加，复合材料表面的硬度值呈逐渐增大的趋势。当多孔粉体的含量为9wt%时，硬度值达到最大值。这是由于随着粉体含量的增加，无机粉体自身的硬度有助于提高复合材料的整体表面硬度。

图3 复合材料的球压痕硬度

3.4 复合材料的耐热性

为了研究复合材料的热稳定性，本试验研究了不同含量多孔粉末的复合材料的热稳定性，如图4所示。当多孔粉末的含量为7wt%时，最大失重速率的对应温度最大，这可能是由于多孔粉末的加入，提高了复合材料的热稳定性，使耐热性能更加优良。

图4 复合材料的DTG曲线

4 结 论

(1)随着体系内多孔粉末含量的增多，拉伸强度呈现先下降后上升的趋势。当多孔粉末含量为9wt%时，复合材料的拉伸强度最大，最大值为21.14MPa。

(2)随着体系内多孔粉末含量的增多，冲击强度逐渐增大。当多孔粉末含量为9wt%时，复合材料的冲击强度达到最大，最大值为1.62MPa。

(3)随着体系内多孔粉末含量的增多，球压痕硬度逐渐增大。当多孔粉末含量为9wt%时，复合材料的硬度达到最大值，最大值为61.0N/mm2。

(4)随着体系内多孔粉末含量的增多，热稳定性明显增强。当多孔粉末的含量为7%时，复合材料的热稳定性最好，但多孔粉末含量为9%时，复合材料的综合性能较为优异。