聚丙烯-石英砂-石墨三元复合材料的制备及性能研究

李永强 许圣业 郝跃 刘迪 姜玉恒 杨俊峰

摘 要：以二氧化硅（SiO2）和石墨（Graphite）為填料，聚丙烯PP为基体，通过机械球磨混合，高温加热成浆料，模压成型制备了聚丙烯-二氧化硅-石墨三元复合材料（PSG），并对复合材料的抗压强度和表面电阻率进行了测试，研究了石英砂和石墨的含量对PSG性能的影响。研究结果表明：石墨的添加可以提高PSG的电导率，当石墨含量达到14%时，PSG的表面电阻率为1.9×108  Ω，具有抗静电性能；随着石英砂的添加，PSG的抗压强度都表现为先增加后减少的变化规律，当石英砂的含量为65wt%时，PSG的抗压强度达到最大值73 MPa，与聚丙烯-石墨复合材料相比提高了1.3倍。

关键词：聚丙烯  二氧化硅  石墨  复合材料

中图分类号：TB332

Preparation of Polypropylene-Quartz Sand-Graphite Ternary Composites

and Research on Their Properties

LI Yongqiang1  XU Shengye2  HAO Yue1  LIU Di1  JIANG Yuheng1  YANG Junfeng3*

（1. CHN Energy Xinjiang Zhundong Energy Co.， Ltd.， Changji， Xinjiang Uygur Autonomous Region， 831799 China; 2. Hebei Shengye Machinery Manufacturing Co. ， Ltd.， Cangzhou， Hebei Province， 061300 China; 3. Institute of Solid State Physics， Chinese Academy of Sciences， Hefei， Anhui Province， 230031 China）

Abstract： With SiO2 and graphite as fillers and polypropylene （PP） as the matrix， after they are mixed by mechanical milling， heated into slurry at high temperature and molded， PP-SiO2-graphite （PSG） composites are prepared. This paper tests the compressive strength and surface resistivity of composites， and studies the effect of the content of quartz sand and graphite on the properties of PSG. The results show that the addition of graphite can improve the conductivity of PSG， and the surface resistivity of PSG is 1.9×108 Ω when the content of graphite reaches 14%， which has anti-static properties， and that the compressive strength of PSG increases first and then decreases with the addition of quartz sand， and the compressive strength of PSG reaches a maximum value of 73MPa when the content of quartz sand is 65wt%， which is almost 1.3 times higher than that of PP-graphite composites.

Key Words： Polypropylene; SiO2; Graphite; Composite

金属托辊是一种非常重要的机械传送部件，被广泛用于煤矿、选煤厂、电厂、钢厂、水泥厂、化工厂、化肥厂、盐厂、港口、制药厂、酒厂、烟厂、粮库、飞机场等诸多领域。在煤矿领域，由于输煤产线服役环境苛刻，传统金属托辊表面腐蚀严重，寿命较短。聚丙烯（PP）作为仅次于聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）之后的五大通用塑料，其作用越来越广泛，涉及包装、电子、汽车等，具有耐化学腐蚀性、耐热性、绝缘性和高机械强度等优良特性。然而用PP作为托辊材料存在强度低、耐磨性差、抗静电性差问题，在实际服役过程中有爆炸的风险[1， 2]。因此，如何开发托辊用PP基复合材料已经成为煤矿开采业需要亟须解决的一个问题。

复合策略是一种改善PP综合性能的有效方法[3， 4]。石墨和石英砂（SiO2）的价格便宜、性能优越，被广泛应用在塑料和复合材料等诸多行业中，用作添加剂来提高聚合物基复合材料的综合性能。SiO2和聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚氨脂复合，可以有效提高基体的强度[5-7]。阮文红等人发现二氧化硅添加后聚丙烯的抗拉强度提高了14%[8]。石墨和聚丙烯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等复合可以有效提高它们的导电性。孟维晓等人发现通过和球磨石墨复合可以使得聚丙烯的抗静电性明显增加。当球磨石墨含量达到10%时，复合材料的表面电阻率为3ⅹ1011  Ω，达到了静电逸散材料的水平[9]。李会新等人发现通过膨胀石墨混合，可以有效提高聚丙烯的电导率，当石墨含量为14%时，电导率达到10-6  s/cm [10]。此外，SiC[11]、BN、Al2O3[12]、炭黑[13]、碳纳米管[14]等都经常被用作添料来提高聚合物的综合性能。

因此，本文利用石英砂和二氧化硅作为添加剂来提高聚丙烯的机械性能和抗静电性能，并重点研究石英砂和石墨的含量对聚丙烯复合材料性能的改善规律机理。

1  实验部分

1.1  主要原料

聚丙烯（熔融指数11.45 g/10min，ASTMD569-90），石英砂（100 mesh），石墨（600 mesh）。

1.2  主要设备及仪器

卧式行星球磨机，加热炉，液压机，万能电子拉力机，扫描电子显微镜，ZC-36 型高阻仪，DT9208 型数字万用表和 WYK-303 型直流稳压电源。

1.3  PP-SiO2-Graphite（PSG）复合材料的制备

将聚丙烯母粒、二氧化硅粉体、石墨粉体按不同的质量比（见表1）称取后，分别放入不锈钢球磨罐，以转速340 rpm球磨4 h；待混合均匀后，将球磨罐放入加热炉中，在210  oC加热1.5 h，待PP全部融化成黏稠胶状物后，倒入不锈钢模具，在油压机下以25 MPa的压强压制成型，保压10 min，去除压力，脱模，获得不同规格的坯体，用来进行各种性能的测试（见图1）。

1.4  性能测试与表征

使用万能试验机对 PP／Graphite／SiO2复合材料的试件进行准静态压缩实验，压缩速率为 3 mm／min，对应应变率为 10-2 s-1；依据ASTM D790–2003 标准进行弯曲性能测试，试验速度为2 mm/min。为考察实验结果的一致性，对每类试件进行3次重复性实验，并记录压缩过程中试件应力-应变数据。对不同配方的试样表面进行喷金处理后，利用扫描电镜观察表面形貌。电导率测试采用ZC-36 型高阻仪，当电导率小于10-8 S/cm 时，采用高阻计进行测试；电导率大于 10-8 S/cm 时，采用四电极法用 DT9208 型数字万用表和 WYK-303 型直流稳压电源测试。

2  结果与讨论

2.1  抗静电性能

经球磨、熔融、液压成型制得石墨/聚丙烯复合材料，其导电性能如图2所示。可以看出，纯PP的表面电阻率约1012 Ω，随着石墨含量的增加，复合材料的表面电阻率迅速减小；当石墨含量大于8%时，电阻率减小速度变缓并逐渐趋于稳定；当石墨含量达到14%时，复合材料的表面电阻率为 1.9×108Ω，已经达到了静电逸散材料的水平，即复合材料具有抗静电的性能。因此，为了保证材料的抗静电性能，在后续的实验中，石墨的含量固定在14%，通过增加石英砂的含量来提高复合材料的力学性能。

2.2  抗压强度

不同石英砂含量的PP／SiO2／Graphite试样在准静态压缩下的应力-应变曲线和相应的抗压强度变化如图3、图4所示，可以看出当石英砂含量为26%时，试样的抗压强度为31 MPa，试件在受压过程中存在弹性变形和塑性变形，不存在明显的应变硬化现象。当石英砂含量进一步增加时，塑性变形明显减弱，抗压强度逐渐增加；当石英砂含量为65%时，抗压强度增加到最大值73 GPa；石英砂含量进一步增加到75%时，抗压强度下降到67GPa，这是由于聚丙烯含量太少，导致石英砂之间的结合强度減弱。

3 结论

该文利用球磨-熔化-模压结合的方法制备了聚丙烯-二氧化硅-石墨三元复合材料（PSG），研究了石墨和石英砂的含量对PSG抗静电性能和抗压强度的影响。研究结果表明：（1）当石墨的含量为14wt%时，复合材料的表面电阻率降低到1.9×108Ω，显示了优异的抗静电性能；（2）石英砂的添加会有效提高PSG的抗压强度，当石英砂的含量为65wt%时，PSG的抗压强度达到最大值73 MPa，为聚丙烯-石墨复合材料抗压强度的2.3倍。这些结果表明石墨和石英砂二元添加剂的结合可以有效提高PSG的抗静电性能和机械强度，为聚丙烯在复合托辊的应用提供了实验基础。

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