滑石粉填充PP微发泡材料的力学性能与发泡行为研究

作者:上海普利特复合材料股份有限公司 赵丽萍 张锴 蔡青 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-11-06
笔者采用注塑方法制备微发泡滑石粉填充聚丙烯(PP)材料,并通过力学性能分析和光学显微镜分析来获知滑石粉添加对复合材料发泡后基本物理性能和发泡行为的影响。结果表明:滑石粉的添加量为5%质量分数时,泡孔平均直径减小,泡孔相对均匀细密,同时该体系下发泡材料的力学性能最佳,比强度相对最高。

注塑微发泡(Microcellular Foaming Injection)是一种低倍率(5%~50%)的发泡方式,其主要特性在于在适当的减重率前提下,确保材料性能的高保持率及优良的力学性能,实现减重、性能保持的双重效果。因此,其发泡后材料仍然具备较好的综合性能,可作为常规的家电及电子电器的壳体、结构性制件,与汽车的内外饰及功能件的性能指标及轻量化要求也是非常相符的。

在复合材料注塑发泡过程中,气泡的成核具有重要的影响。为了增加泡核数量,复合材料中常加入一定量的成核剂。Masami Okamoto等通过在聚丙烯(PP)中加入粘土,当粘土用量为7.5%时,泡孔结构较好,此时泡孔直径范围在30~120μm,泡孔密度可达107~108个/cm3;Rodrigue D等发现,在一定的用量范围内,木粉不但有助于提高泡孔密度,还能减小泡孔的平均尺寸;滑石粉由于价廉,在汽车改性材料方面不仅能够大幅度降低成本,同时还可以起到成核作用。

笔者通过注塑机对不同滑石粉含量的PP材料进行微发泡成型,然后分析滑石粉用量对PP材料的发泡行为和力学性能的影响,为研究开发新型的滑石粉填充聚丙烯发泡体系提供了参考。

试验部分

1.原料与助剂

PP:M60RHC,镇海炼化;

滑石粉:HTPultra5L,意大利IMIFABI集团;

增韧剂POE:POE-8150,美国陶氏化学公司,熔融指数0.5g/10min;

发泡剂母粒:2158S,上海杰上杰化学有限公司;

助剂母粒:自制。

2.仪器与设备

同向双螺杆混炼挤出造粒机,SE40A,昆山科信橡塑机械有限公司;

注塑机:SA2500/1000V,宁波海天塑机集团有限公司;

光学电子显微镜:Leica M125;

电子万能试验机:Zwick/Roell Z010,Zwick/Roell集团;

简支梁冲击试验机:Zwick/Roell Hit5.5P, Zwick/Roell集团;

密度测试仪:DH-300, 东莞宏拓仪器有限公司。

3.样品制备

按一定比例称量PP、滑石粉及POE等原料,混合均匀后投入到螺杆直径35 mm、L/D=44的紧密啮合同向双螺杆挤出机中,挤出温度为170~200℃,经机头口模挤出后冷却、干燥、切粒,制得所需的滑石粉填充聚丙烯复合材料。

将所得聚丙烯粒子与发泡助剂按一定比例共混,在注塑机中进行微发泡成型,制备常规的力学性能测试样条。

4.测试与表征

泡孔结构:将不同用量滑石粉制备的微发泡样条在低温下迅速冲断,断口在光学显微镜下观察并拍照。用LAS V4.7图像处理软件对泡孔结构(泡孔尺寸及泡孔数目)的光学显微镜照片进行统计计算。

密度:按照ISO1183-1标准,采用梅特勒-托利多XS电子天平进行测试。

力学性能:分别按照ISO527-2标准、ISO178标准及ISO179-1标准进行拉伸强度、弯曲强度和缺口冲击强度测试。

结果与讨论

1.滑石粉对微发泡PP复合材料力学性能的影响

不同添加量滑石粉的聚丙烯复合材料发泡前后的力学性能数据见表1。比强度是衡量材料是否轻质高强的重要指标。从图1可以看出,相对于纯PP材料发泡后的力学性能,滑石粉质量分数5%的PP材料发泡以后比拉伸强度和比弯曲强度和比冲击强度均达到最高值。继续增加滑石粉用量,发泡材料的比弯曲强度增加,但是比拉伸强度和比缺口冲击强度降低。这可以说明,少量的滑石粉填充有利于提高PP材料发泡后的力学性能。

720表1.jpg

微发泡材料比强度
图1 滑石粉用量对微发泡材料比强度的影响

2.滑石粉对微发泡PP复合材料发泡行为影响

(1)滑石粉对微发泡PP复合材料泡孔结构的影响

图2为微发泡滑石粉填充PP复合材料的光学显微镜照片。相比于纯PP,滑石粉质量分数为5%的PP复合材料发泡后泡孔形状规则,均匀致密,无泡孔合并和塌陷现象。5%质量分数的滑石粉加入到PP基体中,起到热点成核作用。随着滑石粉含量的进一步增大,滑石粉之间发生团聚,异相成核作用减小,且后者对发泡体系的影响比前者大,因而泡孔塌陷现象严重,泡孔稀疏。这主要是因为滑石粉起成核作用明显,使泡孔数目增加,若相邻泡孔尺寸相似,在界面张力的作用下趋于合并;若尺寸相差较大,由于泡孔内气体压力的不同,泡孔间的熔体薄膜破裂,使泡孔合并 。

微发泡滑石粉填充PP复合材料

滑石粉质量分数:(a) 0; (b) 5%;(c) 10%;(d) 20%
图2 微发泡滑石粉填充PP复合材料在80倍放大倍率下的光学显微镜照片

(2)泡孔平均直径和泡孔数目

不同滑石粉用量下,发泡材料泡孔直径和在80倍放大倍率下平均泡孔数目和平均泡孔直径的结果见表2。从中可以看出,滑石粉质量分数为5%的PP材料泡孔平均直径最小,为73μm,同时泡孔数目最多,达132个。相对于纯PP发泡材料而言,加入质量分数5%的滑石粉后泡孔平均直径减小27%,泡孔数目提高78%。这是因为在PP基体中加入滑石粉以后,滑石粉粒子起到了热点成核的作用,促使泡孔数量增加、泡孔直径减小。而随着滑石粉含量进一步增大至10%,滑石粉之间发生团聚,成核点减少,异相成核作用减小,且后者对发泡体系的影响比前者大,因而泡孔的平均直径增大、泡孔数目降低。继续增加滑石粉添加量至20%质量分数时,泡孔直径有所降低,泡孔数目增加。这是因为,虽然20%的高添加量下滑石粉会发生团聚,但是此时成核点数目也会增加,异相成核对该发泡体系的影响比较大,此时泡孔直径降低,泡孔数目增加。

720表2.jpg

结论

 

1.滑石粉对PP材料的发泡具有异相成核的作用,当滑石粉用量为5%质量分数时,获得泡孔细小、均匀且致密的微发泡材料。随着滑石粉含量的增加,滑石粉在基体中的分散性较差,产生团聚,致使泡孔直径增加、泡孔数目降低。

2.PP材料发泡后各项力学性能均降低,但是当滑石粉用量为5%质量分数时,PP材料微发泡后的比强度达到最佳。

0
-1
收藏
/
正在提交,请稍候…