试样的制备
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不同填充物改性对复合材料力学性能的影响
图1 不同填充物改性对复合材料拉伸强度、简支梁缺口冲击强度、弯曲强度的影响
图 2 不同填充物改性对复合材料弯曲模量的影响
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不同填充物改性对复合材料收缩率的影响
图 3 不同填充物改性对聚丙烯复合材料收缩率的影响
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不同填充物改性对复合材料阻燃性能的影响
表 1 不同填充物改性对聚丙烯复合材料阻燃性能的影响
结 论
本文针对家用电器中电源盒部件对聚丙烯复合材料的需求，采用不同填充物填充改性聚丙烯，考察不同填充物对聚丙烯复合材料力学性能、收缩率和阻燃性的影响，并对相关机理进行了分析研究。
利用同向平行双螺杆挤出机熔融挤出法制备聚丙烯复合材料：根据设计好的配方将各组分物料按比例称量，用混合器将称好的物料搅拌均匀后，加入到挤出机进行挤出造粒，加工温度为190~210 ℃，经水冷、切粒、烘干，即制备获得聚丙烯复合材料，然后按相应的 GB 标准注塑测试样条。 其中力学性能测试实验和收缩率测试实验使用的材料配方为：在 PP1100N 中分别加入 20 %的滑石粉/玻璃纤维/碳酸钙，及适量的抗氧剂、润滑剂和相容剂；阻燃性能测试实验中用的材料配方为：在 PP1100N+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二锑中分别加入 20 %的滑石粉/玻璃纤维/碳酸钙，及适量的抗氧剂、润滑剂和相容剂。
图 1 和图 2 为不同填充物改性对复合材料力学性能的影响情况，从图 1 和图 2 可以看出，玻璃纤维填充改性对复合材料综合力学性能提升的幅度最大，在拉伸强度、简支梁缺口冲击强度、弯曲强度、 弯曲模量上分别比 PP 原料提高 129 %、 132 %、 166 %、202 %；滑石粉填充对复合材料综合力学性能提升的幅度次之，分别为 6 %、 16 %、 40 %、 112 %；碳酸钙填充改性的分别为-13 %、10 %、 13 %、 33 %。 原因分析： (1)滑石粉填充到聚丙烯中，可以对聚丙烯起到异相成核的作用，促进聚丙烯的结晶及提高聚丙烯的结晶度，从而能够在一定程度上提高聚丙烯复合材料的力学性能。 (2)玻璃纤维本身强度高，可达 1500~4000 MPa，并且有着较大的长径比，在复合材料中起着骨架结构增强作用，可以分担材料所受的应力和载荷，因此能够大大增强复合材料的力学性能。 (3)碳酸钙填充的增强作用最小，原因在于碳酸钙为圆球形，没有长径比，也不能对聚丙烯起异相成核的作用， 只作为惰性填料添加到聚丙烯中。
图 3 为不同填充物改性对复合材料收缩率的影响情况，由图3 可以看出，玻璃纤维填充对降低复合材料的收缩率起着很大帮助， 加入 20 %玻璃纤维即可使复合材料的收缩率从 1.66 %降低至1.06 %，大幅度提高复合材料的尺寸稳定性；滑石粉填充的则降低至 1.29 %，碳酸钙填充的降低至 1.52 %。 原因分析： (1)滑石粉填充到聚丙烯中，可以对聚丙烯起到异相成核的作用，促进形成细而小的球晶，阻止较大的球晶产生，因而可以在一定程度上降低复合材料的收缩率。 (2)玻璃纤维会在熔体中沿流动方向进行排列，使 PP 分子链沿玻璃纤维方向进行取向，较大的限制了分子链的收缩，因此可以大大降低复合材料的收缩率。 (3)碳酸钙填充对降低复合材料收缩率的帮助很小，因为圆球形的碳酸钙不能对聚丙烯起成核作用，仅作为惰性矿物填充于聚丙烯中。
表 1 为不同填充物改性对复合材料阻燃性能的影响情况，由表 1 可以看出，在 PP+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二梯+20 %填充物的阻燃体系中，滑石粉填充对提高复合材料阻燃性的作用最好，可以使聚丙烯复合材料达到 1.6 mm V0 级阻燃；玻璃纤维填充的效果次之，可以使复合材料达到 3.2 mm V0 级阻燃；碳酸钙填充的效果最差，不能使聚丙烯复合材料达到 V0 级阻燃。 原因分析： (1)滑石粉主要成分是滑石含水的硅酸镁，在380~500 ℃之间会失去缔合水， 800 ℃以上则失去结晶水。水分在燃烧受热后蒸发带走一部分热量， 这对抑制复合材料的燃烧起到积极作用；另外滑石粉中硅含量达到 30 %以上，硅元素与溴系阻燃剂形成溴－硅协效机理，提高阻燃效率。 (2)玻璃纤维本身不可燃、不助燃，但在阻燃剂添加比例固定的情况下，再加入一定比例的玻璃纤维，即减少了可燃组分(聚丙烯树脂)的比例，这就提高了溴锑阻燃剂对聚丙烯发挥阻燃作用的效果，最终也能达到3.2 mmV0 阻燃； (3)溴锑阻燃剂的阻燃机理为：十溴二苯乙烷在高温下分解释放出溴化氢，溴化氢与 PP 燃烧过程中产生的自由基作用，终止自由基，即可起到阻止燃烧的目的；另外十溴二苯乙烷跟三氧化二梯反应生成溴化锑气体，溴化锑气体密度高、粘度大，包覆在复合材料表面起到隔绝氧气抑制燃烧的作用。而由于碳酸钙在 800 度以上高温时会分解为氧化钙和二氧化碳，二氧化碳气体在逸出过程中会带走部分溴化氢和溴化锑，这就降低了阻燃剂的阻燃效率， 进而不能使复合材料达到UL94 V0级阻燃。
(1)玻璃纤维填充改性对提高复合材料综合力学性能的作用最大，滑石粉填充改性次之，碳酸钙填充改性的效果不如前两者。
(2)玻璃纤维填充改性对降低复合材料收缩率的效果最好，滑石粉填充改性次之，碳酸钙填充改性的效果不如前两者。 (3)在 PP+18 %十溴二苯乙烷+6 %三氧化二锑+20 %填充物的体系中，滑石粉填充改性对提高复合材料阻燃性的帮助最大，玻璃纤维填充改性次之，碳酸钙填充改性的效果最差。
