氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响_靳月红.pdf

靳月红，孙长红，刘书锋 氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响 河南化工，（）：氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响靳月红，孙长红，刘书锋，（郑州博特硬质材料有限公司，河南 郑州 ；郑州职业技术学院 新材料工程学院，河南 郑州 ；信阳市德福鹏新材料有限公司，河南 信阳）摘 要：以氮化硼为填充，聚丙烯为基体，采用熔融共混的方法制备聚丙烯 氮化硼复合材料。通过力学性能、流动性能以及导热性能等研究发现，随着氮化硼的加入，复合材料的冲击性能、弯曲性能、熔体流动性均有明显提升，拉伸强度、断裂伸长率、熔体流动速率有明显下降。氮化硼填充量为 ，复合材料的冲击强度为 ，弯曲强 度为，弯曲模量为，拉伸强度为，断裂伸长率为 ，熔体流动速率为 （），此时导热系数均为 （），比纯 基体增加了。关键词：聚丙烯；氮化硼；复合材料中图分类号：，文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），（），：；聚丙烯（）是一种半结晶的热塑性塑料，抗冲击、力学性能好，能抵抗多种有机溶剂及酸碱的侵蚀，广泛应用于电子电气、建筑、农林渔业、食品工业、纺织和印刷工业等。然而，存在低温情况下冲击性能差、老化较快等缺陷问题，制约了 的进一步推广。借助填料是改善 基体性能的一种常见方法，常见的填料有、碱性硫酸镁晶须、滑石粉、等。研究发现：晶须复合材料的弯曲模量和热变形温度均高于 滑石粉复合材料，且收缩率更低；晶须复合材料的缺口冲击强度低于 滑石粉复合材料。氮化硼（）热稳定好、耐腐性高、热膨胀系数低、高温绝缘性能好等特性，且热导率为 （）。通过添加 制备复合材料，既能有效改善复合材料的导热性，还能保持复合材料良好的绝缘性。本文将作为无机填充材料对 收稿日期：基金项目：河南省优秀科技创新团队项目（）作者简介：靳月红（），女，工程师，从事氮化硼基复合材料的研究工作，：；通信作者：孙长红（），男，硕士，助教，从事氮化硼基复合材料的研究工作，：。河南化工 年 第 卷DOI:10.14173/ki.hnhg.2023.02.015进行填充改性，通过力学性能、流动性能和导热性能等测试，研究 填充量对 复合材料性能的影响。实验部分 实验原料及仪器原料：聚丙烯（），型号，山东武胜天然气化工有限公司；氮化硼（），粒度 ，纯度，信阳市德福硼新材料有限公司；石蜡，市售；抗氧剂，市售。仪器：小型锥形双螺杆挤出机，武汉瑞鸣仪器有限公司；风冷输送机，武汉瑞鸣仪器有限公司；微型切粒机，武汉瑞鸣仪器有限公司；微型注塑机，上海新硕精密机械有限公司；熔融指数仪，厦门弗布斯检测设备有限公司；拉伸万能试验机，温州方圆仪器有限公司；万能试验机，高铁科技股份有限公司；缺口制样机，承德市大加仪器有限公司；摆锤冲击试验机，深圳三思检测技术有限公司；导热仪，美国 仪器公司。实验方法与步骤 复合材料的制备采用熔融共混的方式制备聚丙烯 氮化硼（）复合。首先将聚丙烯（）的 都置于 的电热真空干燥箱中，干燥处理 。把、石蜡以及抗氧剂按表 中比例称量并充分预共混，再将混合好的原料在小型锥形双螺杆挤出机挤出，经风冷输送机冷却、实验微型切粒机切粒得到复合颗粒，最后将复合颗粒干燥。表 复合材料的配方 含量 含量石蜡含量抗氧剂含量 弯曲、拉伸和冲击样条制备将上述所得粒料倒入微型注塑机，制作试样条。模具温度设置为 ，料筒温度 ，将弯样条模具和螺杆放在合模装置和料筒中加热。当达到预设温度后，将预先称量好的原料倒入料筒中，后放入螺杆，加热 ，用纱布将料筒下方枪口流出的原料擦拭，再将料筒移动到模具上方，开始注塑。注塑完毕后，打开模具拿出样条，制取 个弯曲样条、个冲击试样以及 组拉伸样条。从制备好的弯曲试样中取出 个试样，将每个试样放在缺口制样机中制出一个 缺口。材料性能表征运用拉伸万能试验机，拉伸速度为 ，按 试验标准测试拉伸性能；采用万能试验机，试验速度为 ，按 测定标准测试弯曲性能；采用摆锤冲击试验机，按 试验标准测试冲击性能；采用熔融指数仪，选用 砝码，温度设定为 ，按 标准测定流动性能；采用闪光法导热测试仪（美国 公司的），测出 时的热扩散系数。则纤维试样的热导率 。式中：和 分别是不同试样的热扩散系数和密度；是不同试样的定压比热容，通过 测得。结果与讨论 复合材料的冲击性能图 为不同 填充量对 复合材料冲击强度的影响。图 填充量对复合材料冲击强度的影响由图 可以看出，的加入对提高复合材料的冲击强度作用显著。随着 填充量的增加，冲击强度呈现先增加后减小的趋势。填充量为 时，复合材料的冲击强度增加到 ，增加；此时冲击强度达到最大，之后逐渐降低，但始终高于纯 基体。填充量为，冲击强度达 ，比 纯基体高。填充量较少时，片层结构的 粒子能较好地分散于 基体中，在平行于冲击方向上的 可能拥有更多数量上的排布，且平行于冲击方向的片会更多。受到外力冲击时，平行外力方向的片产生面内滑移耗散一部分能第 期 靳月红等：氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响量，从而使得复合材料的抗冲击能力比纯 基体高。复合材料的弯曲性能图、图 分别为不同 填充量对 复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响。图 填充量对复合材料弯曲强度的影响图 填充量复合材料弯曲模量的影响由图 可知，复合材料的弯曲强度随 填充量增多而呈缓慢增大趋势。填充量 时，复合材料的弯曲强度增大趋势不明显；填充量为 ，弯曲强度为 ，比基 体 增 加。填充量为，弯曲强度为 ，比纯 基体略高。弯曲模量随 填充量增多而增大趋势，见图。填充量为，弯曲模量达 ，比纯 基体增加 。填充量为，弯 曲 模 量 达 到 ，比 纯 基 体 增 加 了。弯曲模量、复合材料的刚度随 的加入较好地提高了复合材料的抗弯折能力。复合材料的拉伸性能图 为不同 填充量对 复合材料拉伸强度的影响。由图 可知，复合材料拉的伸强度随 填充量的增加而降低。填充量 时，拉伸强度变化十分明显，然而相较纯 基体，复合材料的拉伸强度均下降约。填充量为时，拉伸强度图 填充量对复合材料拉伸强度的影响为 ，较纯 基体下降 。相同 含量，拉伸强度相对比弯曲强度下降更明显，这主要是由于拉伸强度较弯曲强度对界面相互作用更加敏感，而弯曲强度、冲击强度与复合材料的整体均匀性更相关。对比图、图 可知，的加入减弱了分子链之间的相互作用力，分子链活动性增加，进而使得复合材料拉伸强度下降，弯曲强度、冲击强度升高。图 为不同 填充量对 复合材料断裂伸长率的影响。图 填充量对复合材料断裂伸长率的影响由图 可知，两种粒径的 对复合材料断裂伸长率影响基本相同，复合材料的断裂伸长率随 填充量的增加而逐渐减小。填充量为，复合材料的断裂伸长率下降约；当 填充量从 增加到，断裂伸长率整体降低趋势缓慢。填充量为，断裂伸长率 ，较纯 基体 下降 。复合材料的力学性能影响因素主要包括以下两方面。无机粒子良好分散在聚合物基体中，使其应力集中区域变大，可有效耗散一定的形变功。组分间的界面由相互作用所决定。一定含量的无机填料能较好地吸收试样裂纹破坏能，避免裂纹的进一步扩展。随着基体中无机填料含量继续增加，河南化工 年 第 卷周围会产生局部应力集中点，无法有效耗散掉施加的应力，因此导致力学性能下降。复合材料的流动性能图 为 填充量对 复合材料熔体流动速率的影响。熔体流动速率值越大，表示聚合物材料加工流动性越好。图 填充量对复合材料的熔体流动速率的影响由图 可知，复合材料的熔体流动速率随 填充量的增加而呈现出先增加后缓慢降低的趋势。填充量为 时，熔体流动速率值最大，与纯 基体相比，增加。填充量，复合材料的熔体流动速率小于纯 基体。填充量为，复合材料熔体流动速率约 （），比纯 基体下降 。作为一种常用的高温润滑剂且密度较 大，达到 熔点时，低填充量的 粒子均匀地分散在 分子链间，彼此间接触概率小，此时 对 分子链可起到良好的润滑效果。填充量增大后，粒子开始相互接触且 基体量减小，缠绕在 粒子周围的 分子链移动受到阻碍，熔体流动性开始变差。填充量继续增加到一定值，粒子润滑作用极其微弱，进而导致高分子加工流动性变差。复合材料的导热性能 复合材料热导率曲线见图。由图 可知，复合材料的热导率随 填充量增多而变大。填充量为，复合材料热导率高达 （），比纯 基体增加。这是由于 具有远高于 的热导率，填充量较少时，未形成网链，且以“海”“岛”方式分散在 基体中；随着 填充量的增加，之间逐渐形成导热通路，使得热流沿着 面内方向得以通过，从而提高了复合材料的导热率。图 填充量对复合材料热导率的影响 结论以氮化硼为填充，聚丙烯为基体，采用熔融共混的方法制备聚丙烯 氮化硼复合材料。通过力学性能、流动性能以及导热性能等研究发现：添加对 起增韧作用。随着 填充量的增加，冲击强度曲线呈现先增加后减小的趋势，且始终高于纯 基体。的加入可较好地提高了复合材料抗弯折能力。填充量增多，复合材料的弯曲强度曲线呈现缓慢增大趋势，而弯曲模量曲线呈现显著增大趋势。的添加使得 基体的拉伸性能变差。复合材料拉伸强度和断裂伸长率均随 填充量增加而降低。添加对复合材料的流动性能影响显著。复合材料熔体流动速率曲线随 填充量增加而呈现出先增加后缓慢降低趋势。当 填充量为 时，熔体流动速率值最大，比纯 基体增加；当 填充量，复合材料的熔体流动速率低于纯 基体。的加入使得复合材料的导热系数明显增大。参考文献：王豆，曲敏杰，涂良枭，等 粒径对 复合材料性能的影响 塑料科技，（）：刘路 聚丙烯 氮化硼导热绝缘复合材料的制备与性能 武汉：武汉理工大学，徐俊杰，郝笑龙，周海洋，等 超高填充聚丙烯基木塑复合材料高低温性能 复合材料学报，（）：侯君 氮化硼 环氧树脂导热复合材料的制备与性能研究 天津：河北工业大学，杨帅，敖玉辉，肖凌寒 聚丙烯 碳纤维 氮化硼导热绝缘 复合材料的制备 塑料工业，（）：第 期 靳月红等：氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响