螺杆转速对PP/GF复合材料中GF与性能的影响

袁 毅，黄美娜

(重庆工商大学机械工程学院，制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

螺杆转速对PP/GF复合材料中GF与性能的影响

袁 毅，黄美娜

(重庆工商大学机械工程学院，制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，
废油资源化技术与装备教育部工程研究中心，重庆 400067)

研究了同向双螺杆造粒机组的螺杆转速对GF增强聚丙烯(PP/GF)复合材料中GF含量、长度以及复合材料力学性能的影响。结果表明，随着螺杆转速的提高，复合材料中GF的含量不断增加，最多增加了48.2 %，而其长度却逐渐变短；复合材料的拉伸强度、弯曲强度、耐热性、硬度等性能也随着螺杆转速的增加而提高，冲击强度却逐渐下降；随着马来酸酐官能化聚丙烯的引入，GF的含量提高了1.8 %，纤维长度显著增加且明显改善了复合材料的各项力学性能，其中拉伸强度提高了95.1 %，弯曲强度提高了90.1 %，无缺口冲击强度提高了110.4 %，缺口冲击强度提高了50 %。

螺杆转速；马来酸酐官能化聚丙烯；GF增强聚丙烯复合材料；GF

0 前言

PP/GF复合材料具有弹性模量高、力学性能好、尺寸稳定性佳、电性能优良、成型周期短、成本低、可循环使用等许多优点，在航天航空、汽车摩托车、家具办公、建筑建材、化学化工、包装盛具等行业领域具有广泛的应用，故一直以来备受人们的关注[1-7]。

PP/GF复合材料的性能是由GF增强材料、PP聚合物基体材料以及它们之间的界面性能共同决定的。纤维与树脂基体的界面黏合性能对复合材料的综合性能至关重要，复合材料通过界面层把树脂和纤维连接成为整体，通过界面传递应力，界面剪切强度决定着整个复合材料的应用。但GF表面光滑、表面能低，与树脂浸润性差，表面缺少化学活性官能团，造成表面反应活性低，同时GF是极性的，而树脂基体一般是非极性的，二者间的极性差异也较大。这些原因导致了GF与树脂基体间的界面黏合性能不理想，使得复合材料界面剪切强度达不到理想水平，从而制约了复合材料综合性能的发挥。为了实现复合材料优异的综合性能，要求纤维与树脂基体两相界面之间具有良好的黏结性和相容性，因此对PP/GF复合材料的界面增容改性的研究也非常多。张道海等[8]用甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝聚丙烯(PP-g-GMA)改善了长GF增强PP复合材料的力学性能；Fu等[9]也用丙烯酸接枝PP改善了复合材料的性能；唐可等[10]用马来酸酐官能化聚丙烯(PP-g-MAH)有效改善了连续GF与PP树脂的界面结合，提升了材料的性能；Sanjay等[11]用PP-g-MAH改善了聚丙烯 - 香蕉纤维(PP-Banana)/GF复合材料的性能；李敬媛等[12]用PP-g-MAH改善了GF增强聚丙烯/聚乙烯蜡(PP/GF/PW)复合材料体系的力学性能；黎敏等[13]使用PP接枝马来酸酐与乙烯/辛烯共聚物(PP-g-POE-MAH)显著提高了PP/GF的拉伸、弯曲、冲击等性能。而成型工艺条件对PP/GF复合材料中的玻纤含量[14]、复合材料的性能[15-16]等都产生了影响。

本文在固定GF加入股数不变的情况下，引入PP-g-MAH并规律性地改变同向双螺杆造粒机组的螺杆转速，来探讨其对PP/GF复合材料中GF及性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP，BJ730，熔体流动速率为15 g/10 min，韩国三星第一毛织株式会社；

GF，直接纱，ECT5301HP-2200，重庆国际复合材料有限公司；

PW，WE-2，上海金山星星塑料有限公司；

紫外线吸收剂，UV-9，南京华立明化工有限公司；

抗氧剂，Irganox1010，德国巴斯夫化工(中国)有限公司；

PP-g-MAH，MPP-50，接枝率为0.3 %～0.6 %，熔体流动速率为40 g/10 min，南京强韧塑胶有限责任公司。

1.2 主要设备及仪器

同向双螺杆挤出造粒机组，SHJ-50，南京杰亚挤出装备有限公司；

塑料注塑机，HDX50，宁波市海达塑料机械有限公司；

塑料摆锤冲击试验机，ZBC1400-B，美特斯工业系统(中国) 有限公司；

微机控制电子万能试验机，CMT4204，美特斯工业系统(中国) 有限公司；

热变形维卡软化点试验机，ZWK1000，美特斯工业系统(中国) 有限公司；

箱式电阻炉，SX2-4-10，重庆工业炉股份有限公司；

工业检测显微镜，MA2001，重庆光电仪器有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)，∑IGMA HD，德国Zeiss公司。

1.3 样品制备

PP/GF复合材料的配方组分及其配比如表1所示；将PP、PW、紫外线吸收剂、抗氧剂、PP-g-MAH等按表1中的比例准确称取物料，混合均匀后经双螺杆挤出机加料斗进入料筒，GF经GF加入口进入料筒，与熔融的树脂共混挤出、切粒；挤出机一区～八区的温度分别为180、200、210、220、230、220、210、200 ℃，机头温度为190 ℃；喂料电机的螺杆转速为100 r/min；双螺杆挤出机的螺杆转速按200、250、300 r/min规律性增加；将所得粒料在100 ℃下烘干2 h，经注塑机注塑成标准样条，注塑机一～三段温度分别为200、210、220 ℃，注射压力为33 %，注射速度为26 %，注射时间为6 s，冷却时间为15 s。

表1 PP/GF复合材料配方Tab.1 Formulas of PP/GF composites

1.4 性能测试与结构表征

GF长度分析：取相同质量的各样品置于700 ℃的箱式电阻炉中，经2 h后用工业检测显微镜观察GF的残留长度，放大倍数为50倍；

SEM分析：将冲击和拉伸断裂样品的断口进行真空喷金镀膜处理后进行观察，操作电压为5 kV，真空，操作过程中，介质和环境温度不超过45 ℃；

拉伸强度按GB/T 1040.2—2006制样和测试，拉伸速率为50 mm/min；

弯曲性能按GB/T 9341—2008制样和测试，弯曲速率为2 mm/min；

冲击强度按GB/T 1843—2008制样和测试，V形缺口，冲击能为2.75 J，无缺口冲击强度测试的冲击能为5.5 J；

GF含量测定按GB/T 9345.1—2008取样和测试；

密度按GB/T 1033.1—2008取样和测试，A法，蒸馏水；

洛氏硬度按GB/T 3398.2—2008制样和测试，R标尺；

耐热温度按GB/T 1634.2—2002制样和测试，压力为0.45 MPa。

2 结果与讨论

2.1 GF含量及长度分析2.1.1 GF含量分析

表2显示，当加入7份PP-g-MAH后，在螺杆转速为200 r/min的情况下，2#样品中的GF含量由1#样品的21.8 %上升到了22.2 %，提高了1.8 %，表明随着PP-g-MAH的加入，熔融PP基体良好地浸润了GF，使得GF能够更多地浸入并分散于PP基体中。当螺杆转速继续提高到250 r/min时，3#样品中的GF含量提高到了22.8 %，比1#样品提高了4.6 %；当螺杆转速继续提高到300 r/min时，4#样品中的GF含量提高到了32.3 %，比1#样品提高了48.2 %。表明随着螺杆转速的升高，PP/GF中GF的含量也随着升高。

表2 螺杆转速对PP/GF中GF含量及各项性能的影响Tab.2 Effects of screw rotation on GF contents and properties of PP/GF composites

2.1.2 GF长度分析

样品：(a)1# (b)2# (c)3# (d)4#图1 复合材料中GF的显微镜照片Fig.1 Microphotographs of GF

图1显示，1#样品中的GF成细碎末状，长度多数在0.1～0.2 mm之间；而2#样品中GF的长度多数在0.5 mm以上，最长的达到1 mm以上；3#样品中GF的长度多数在0.4 mm以上；4#样品中GF的长度多数在0.3 mm以上。说明随着PP-g-MAH的加入，使得GF浸入并分散于PP基体之中并与PP基体形成良好的界面结合，能够更好地承受挤出机螺杆的剪切从而获得了更长的残留长度；但随着螺杆转速的不断升高，其剪切效应也不断增强，从而使PP/GF中的GF被螺杆剪切得更短，如2#、3#、4#样品中GF的长度变化趋势所示。

2.2 力学性能分析

样品，放大倍率(300×)：(a)1# (c)2# (e)3# (g)4#样品，放大倍率(2000×)：(b)1# (d)2# (f)3# (h)4#图2 冲击试样断口的SEM照片Fig.2 SEM of impact samples fracture surfaces

从表2数据显示，当加入7份PP-g-MAH后，在螺杆转速为200 r/min的情况下，2#样品的拉伸强度达到64 MPa，比1#样品提高了95.1 %；弯曲强度达到76.8 MPa，比1#样品提高了90.1 %；弯曲模量达到3529 MPa，比1#样品提高了2.6 %；同时2#样品的无缺口冲击强度达到34.3 kJ/m2，比1#样品提高了110.4 %；缺口冲击强度达到14.1 kJ/m2，比1#样品提高了50 %。表明随着PP-g-MAH的加入，熔融态的PP基体良好地浸润了GF，使其与PP基体树脂的界面结合情况得到了很好的改善，且同时使PP/GF中GF的长度得到了明显增长(如图1所示)，因而明显地改善了PP/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量。而随着螺杆转速升高到250、300 r/min时，3#样品的拉伸强度达到67.8 MPa，比1#样品的提高了106.7 %，4#样品的拉伸强度达到71.5 MPa，比1#样品提高了118.0 %；3#样品的弯曲强度达到65.8 MPa，比1#样品提高了62.9 %，4#样品的弯曲强度达到94 MPa，比1#样品提高了132.7 %；3#样品的弯曲模量达到4265 MPa，比1#样品提高了24.1 %，4#样品的弯曲模量达到4996 MPa，比1#样品提高了45.3 %；同时3#样品的无缺口冲击强度达到29.3 kJ/m2，比1#样品提高了79.8 %，4#样品的无缺口冲击强度达到32.3 kJ/m2，比1#样品提高了98.2 %；3#样品的缺口冲击强度达到13.6 kJ/m2，比1#样品提高了44.7 %，4#样品的缺口冲击强度达到13.4 kJ/m2，比1#样品提高了42.6 %。表明随着螺杆转速的不断增加，虽然PP/GF复合材料中GF的长度逐渐变短(如图1所示)，但GF的含量却在不断增加，且GF含量不断增加所带来的正效应大过了GF长度逐渐变短所带来的负效应，进而促使了PP/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等性能也不断得到提升，又由于剪切效应的不断增强GF的长度不断变短，从而导致了PP/GF复合材料的脆性不断升高，冲击韧性逐渐下降。

2.3 其他性能分析

表2数据显示，1#、2#、3#、4#样品的密度、洛氏硬度和耐热温度等性能也随着螺杆转速的增加而逐渐升高。对比GF含量的变化趋势可以发现，随着PP-g-MAH的引入和螺杆转速的增加，使得PP/GF中GF的含量不断得到增加，从而导致样品的密度、洛氏硬度和耐热温度等不断升高；GF含量增加得越多，样品的密度、洛氏硬度和耐热温度等也升高得越多，如4#样品的性能所示。

2.4 SEM分析

图2、图3显示，没有加入PP-g-MAH的PP/GF复合材料(1#样品)的断面上有大量的GF被拔出，且GF表面比较光滑，基本没有树脂基体包裹或黏结，GF与树脂基体间有明显的缝隙，如图2、图3中的(a)、(b)所示，这说明GF与基体树脂PP的界面结合较差；添加了PP-g-MAH的PP/GF复合材料(2#、3#、4#样品)的断面上只有少量GF被拔出，并且被拔出的GF表面上被基体树脂所包覆，GF与树脂基体间结合紧密无缝隙，如图2、图3中的(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)所示。这是由于PP/GF复合材料中加入PP-g-MAH后，其极性的接枝单体与GF表面相互作用，形成化学键，增强了PP基体树脂与GF间的界面结合性，从而提高了PP/GF复合材料的力学性能。

样品(放大倍率300×)：(a)1# (c)2# (e)3# (g)4#样品(放大倍率2000×)：(b)1# (d)2# (f)3# (h)4#图3 拉伸试样断口的SEM照片Fig.3 SEM of fracture surfaces of the tensile samples

3 结论

(1)在螺杆转速不变的情况下，PP-g-MAH的引入可以提高GF在PP/GF复合材料中的含量并显著增加其长度，并明显改善了PP/GF复合材料的性能，但随着螺杆转速的规律性增加，GF的含量也不断增加，但其长度逐渐变短；

(2)随着螺杆转速的规律性增加，PP/GF复合材料的拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、洛氏硬度和耐热性等都不断提高，而冲击强度却缓慢下降；

(3)PP-g-MAH的引入能够明显增加PP基体树脂与GF间的界面结合性，从而有效提高了PP/GF复合材料的力学性能。

[1] Geng Chengzhen，Su Juanjuan，Zhou Caiyi，et al. Largely Improved Toughness of Polypropylene/Long Glass Fiber Composites by β-Modification and Annealing[J]. Compo-sites Science and Technology，2014，96:56-62.

[2] 崔晓倩，栗艮艮，孟庆国，等. 稀土β - 成核剂/玻璃纤维改性聚丙烯复合材料的制备及其性能研究[J]. 塑料工业，2016，44(4)：106-110. Cui Xiaoqian，Li Yinyin，Meng Qingguo，et al. Preparation and Mechanical Properties of Rare Earth β-Nucleating Agent/Glass Fiber Modified Polypropylene Composites[J]. China Plastics Industry，2016，44(4)：106-110.

[3] 吴德顺，宋学谦. 长玻纤增强聚丙烯力学性能参数分散性研究[J]. 工程塑料应用，2015，43(11):76-81. Wu Deshun，Song Xueqian. Research on Randomness of Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene Material Mechanical Property Parameters[J]. Engineering Plastics Application，2015，43(11)：76-81.

[4] 唐荣华，杨旭静，郑 娟. 长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料热模压成型工艺的研究[J]. 玻璃钢/复合材料，2016，(8)：62-67. Tang Ronghua，Yang Xujing，Zheng Juan. Research of Hot Molding Press on Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composite[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites，2016，(8)：62-67.

[5] 王选伦，张凌瑞，尹 皓，等. 短玻纤和连续玻纤增强聚丙烯复合材料的性能比较研究[J]. 山东化工，2016，45(1)：6-9. Wang Xuanlun，Zhang Lingrui，Yin Hao，et al. Comparison Study on the Properties of Polypropylene Composites Reinforced by Short Glass Fiber and Continuous Glass Fiber[J]. Shandong Chemical Industry，2016，45(1)：6-9.

[6] 段焕德，王昌银，王醴均，等. 三相存在下聚丙烯/纤维复合发泡材料的力学性能[J]. 高分子材料科学与工程，2016，32(2)：71-77. Duan Huande，Wang Changyin，Wang Lijun，et al. Mechanical Properties of Polypropylene/Fiber Composite Foaming Materials Under the Condition of Three-phase Exis-ting[J]. Polymer Materials Science and Engineering，2016,32(2)：71-77.

[7] 吴 超，钱 晶. 玻纤增强阻燃聚丙烯的研制[J]. 工程塑料应用，2015，43(8)：35-38. Wu Chao，Qian Jing. Development of Glass Fiber Reinforced Flame Retardant PP[J]. Engineering Plastics App-lication，2015，43(8)：35-38.

[8] 张道海，郭建兵，张凯舟. PP-g-GMA对长玻纤增强聚丙烯复合材料性能的影响[J].塑料工业，2013，41(2)：37-39. Zhang Daohai，Guo Jianbing，Zhang Kaizhou. Effect of PP-g-GMA on Mechanical Properties of Long Glass Fiber Reinforced PP Composites[J]. China Plastics Industry，2013，41(2)：37-39.

[9] Fu Xiang，He Bobing，Chen Xian. Effects of Compatibilizers on Mechanical Properties of Long Glass Fiber-reinforced Polypropylene[J]. Journal of Reinforced Plastics and Composites，2010，29(6)：936-949.

[10] 唐 可，信春玲，张 聪，等. PP-g-MAH对连续纤维增强聚丙烯复合材料性能影响的研究[J]. 塑料工业，2015，43(12)：83-86. Tang Ke，Xin Chunling，Zhang Cong，et al. Influence of PP-g-MAH on Properties of Continuous Fiber Reinforced Polypropylene Composites[J]. China Plastics Industry，2015，43(12)：83-86.

[11] Sanjay K Nayka，Smita Mohanty，Sushanta K Samal. Influence of Interfacial Adhesion on the Structural and Mechanical Behavior of PP-Banana/Glass Hybrid Composites[J]. Polymer Composites，2010，31(7)：1247-1257.

[12] 李敬媛，李又兵，史 文，等. 聚丙烯/玻璃纤维复合材料增强与增韧改性研究[J]. 中国塑料，2013,27(12)：47-51. Li Jingyuan，Li Youbing，Shi Wen，et al. Reinforcement and Toughness of PP/GF Composites[J]. China Plastics，2013，27(12)：47-51.

[13] 黎 敏，陈一民，陈如意，等. 高性能玻纤增强聚丙烯材料的研制及应用[J]. 塑料工业，2014，42(9)：113-117. Li Min，Chen Yimin，Chen Ruyi，et al. Development and Application of High Performance Fiber Reinforced Polypropylene Composites[J]. China Plastics Industry，2014，42(9)：113-117.

[14] 沈旭渠，张翼翔，陈锐彬. 玻纤增强聚丙烯的玻纤含量的快速调试和控制[J]. 广东化工，2016,43(5)：89-90. Shen Xuqu, Zhang Yixiang, Chen Ruibin. Fast Debugging and Control of Glass Fiber Content of the Glass Fiber Reinforced Polypropylene[J]. Guangdong Chemical Industry，2016，43(5)：89-90.

[15] 肖利群，刘 罡，陈 健，等. 工艺和玻璃纤维对增强聚丙烯材料翘曲和力学性能的影响[J]. 塑料工业，2015,43(8)：65-69. Xiao Liqun，Liu Gang，Chen Jian，et al. Influence of Processes and Glass Fiber on the Warpage and Mechanical Properties of Reinforced PP[J]. China Plastics Industry，2015，43(8)：65-69.

[16] 宋清华，肖 军，文立伟，等. 模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响[J]. 复合材料学报，2016，33(12)：2740-2748. Song Qinghua, Xiao Jun, Wen Liwei, et al. Influence of Molding Press on Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composite[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2016, 33(12)：2740-2748.

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Effects of Screw Rotation on Glass Fiber in Matrix andProperties of PP/GF Composites

YUAN Yi, HUANG Meina

(Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment of Education, Chongqing Key Laboratory of Manufacturing Equipment Mechanism Design and Control, College of Mechanical Engineering,Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China)

Polypropylene (PP)/glass fiber(GF)composites were prepared by a co-rotating twin-screw extruder, and the effect of screw rotation on GF in the composites and the properties of composites was investigated. The results indicated that the content of GF increased with an increase of rotation speed and achieved a maximum value of 48.2 %. However,the fiber length tended to decrease gradually with increasing rotation speed. The tensile strength, bending strength, heat-resistant temperature and hardness of the composites were improved with the increase of rotation speed, but the impact strength showed a slow decline. The incorporation of maleic anhydride-grafted PP improved the fiber length significantly, and meanwhile, the GF content, tensile strength, bending strength, notched and no-notched impact strength increased 1.8 %,95.1 %,90.1 %,50 % and 110.4 %, respectively.

screw rotation; maleic anhydride-grafted polypropylene; polypropylene/glass fiber composite; glass fiber

2016-12-23

重庆市基础与前沿研究计划项目(CSTC:2015jcyja50027)；国家国际科技合作专项项目(2015DFA51330)；制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室开放基金(1456032)

TQ325.1+4

B

1001-9278(2017)05-0036-06

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.05.008

联系人，yuanyi.01@126.com