聚丙烯（PP）的運(yùn)用范圍十分廣泛，但由于其力學(xué)性能不夠優(yōu)異，在工程上的應(yīng)用受到了一定的限制。目前，最典型的力學(xué)性能改性方法是向聚丙烯中填充無機(jī)填料，如滑石粉、碳酸鈣、高嶺土、二氧化硅、碳纖維及ZnO等材料。
1、碳酸鈣增強(qiáng)增韌聚丙烯
碳酸鈣在聚丙烯復(fù)合材料中最大的特性是增韌效果極好，能夠極大程度地提高聚丙烯的沖擊強(qiáng)度。
研究表明，微米級(jí)碳酸鈣對聚丙烯沖擊強(qiáng)度的提升效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通級(jí)碳酸鈣，而當(dāng)使用納米級(jí)碳酸鈣時(shí)，這種特性就更加凸顯。
當(dāng)納米碳酸鈣的添加量較少時(shí)，可使聚丙烯的拉伸模量提高85%，沖擊強(qiáng)度提高300%。當(dāng)在聚丙烯中填充高組份的納米碳酸鈣時(shí)，則聚丙烯的拉伸強(qiáng)度有小幅度的下降，但聚丙烯的沖擊強(qiáng)度得到顯著提升，并且聚丙烯的收縮率也有所降低。
此外，當(dāng)PP復(fù)合材料中含有較多納米碳酸鈣時(shí)，其實(shí)際密度要低于理論密度，原因在于大量的納米碳酸鈣的加入導(dǎo)致粉體中的空氣同樣進(jìn)入PP基體，造成PP復(fù)合材料中存在很多納米級(jí)的空洞，這種空洞結(jié)構(gòu)對材料彎曲模量的提升有益。
2、納米二氧化硅增強(qiáng)增韌聚丙烯
納米二氧化硅是一種性能極其優(yōu)異的無機(jī)改性填料，既能增強(qiáng)聚丙烯的拉伸強(qiáng)度，又能增強(qiáng)其沖擊強(qiáng)度。并且在其用量極少的情況下，納米二氧化硅的增強(qiáng)和增韌效果都要優(yōu)于滑石粉和碳酸鈣的增強(qiáng)增韌效果。
對比測試滑石粉和納米二氧化硅對聚丙烯改性效果的差異，發(fā)現(xiàn)僅添加5%納米二氧化硅的聚丙烯的各項(xiàng)性能均要優(yōu)于添加了40%滑石粉的聚丙烯。
納米二氧化硅同時(shí)提高了聚丙烯的拉伸模量和屈服強(qiáng)度，提升比例分別為90%和5%。而滑石粉卻僅對屈服強(qiáng)度有提升效果，不能提高拉伸模量。盡管滑石粉的填充量比納米二氧化硅的高8倍，但試驗(yàn)表明滑石粉的增韌效果仍舊弱于納米二氧化硅的增韌效果。
3、碳纖維填料增韌聚丙烯
上述無機(jī)填料都是粉體，但實(shí)際上，非粉體無機(jī)填料在PP改性中也得到了充分利用，如碳纖維、玻璃纖維等。
這類纖維材料單獨(dú)作為填料使用時(shí)缺陷較大，對復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性產(chǎn)生不利影響。因此，為了提高纖維-聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性，通常會(huì)加入納米無機(jī)顆粒來達(dá)到這一目的。
M.H.Gabr 等。研究了納米粘土對碳纖維-聚丙烯復(fù)合材料的影響。當(dāng)納米粘土的填充量為3%時(shí)，復(fù)合材料的初始斷裂韌度和傳播斷裂韌度可分別提高64%和67%。通過電子顯微鏡對斷裂樣品進(jìn)行掃描表明，聚丙烯基體中分散良好的納米粘土顆粒可以顯著改善碳纖維與聚丙烯之間的界面相互作用。
在斷裂過程中，如果將碳纖維順利地從聚丙烯基體中剝離出來，它吸收的能量就會(huì)減少。當(dāng)加入少量納米粘土?xí)r，剝離后的碳纖維表面仍沾染聚丙烯，這意味著納米粘土更好地改善了碳纖維與聚丙烯基體之間的界面相互作用。
4、復(fù)合無機(jī)填料增韌聚丙烯
眾所周知，滑石粉可以提高聚丙烯的強(qiáng)度、剛度、尺寸穩(wěn)定性和結(jié)晶度，但對聚丙烯的其他性能，如沖擊強(qiáng)度和變形能力有不利影響。然而，碳酸鈣以拉伸強(qiáng)度為代價(jià)提高了聚丙烯的沖擊強(qiáng)度和變形能力。因此，綜合利用兩種無機(jī)填料的獨(dú)特優(yōu)勢，可以達(dá)到無機(jī)填料復(fù)合共混的協(xié)同效果。
用滑石粉和碳酸鈣制備復(fù)合無機(jī)填料，研究兩種填料的配比對聚丙烯力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，雖然兩種填料協(xié)同作用，但它們的基本功能并未受到干擾。即滑石主要決定聚丙烯的拉伸性能和彎曲性能，而碳酸鈣主要決定聚丙烯的沖擊性能。
因此，當(dāng)粉體加入量一定時(shí)，滑石粉含量越多，聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量越大，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量也越大。碳酸鈣含量越多，聚丙烯復(fù)合材料的沖擊性能越好。當(dāng)滑石粉和碳酸鈣的比例相同時(shí)，協(xié)同作用最為明顯。此時(shí)聚丙烯復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度最大，綜合性能較好。
近年來，硬質(zhì)無機(jī)填料突破了使用單一材料的方法，選擇兩種或多種傳統(tǒng)硬質(zhì)無機(jī)填料混合使用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料性能的技術(shù)創(chuàng)新和突破。無機(jī)材料的改性方法也不限于一種，而是針對無機(jī)填料的特性，采用多種改性劑和多種改性方法，充分發(fā)揮無機(jī)填料的性能。
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