增强增韧PP，碳酸钙、滑石、二氧化硅、碳纤维谁更好用？- 大数跨境

聚丙烯人

2021-08-02

导读：聚丙烯（PP）的运用范围十分广泛，但由于其力学性能不够优异，在工程上的应用受到了一定的限制。目前，最典型的力

聚丙烯（PP）的运用范围十分广泛，但由于其力学性能不够优异，在工程上的应用受到了一定的限制。目前，最典型的力学性能改性方法是向聚丙烯中填充无机填料，如滑石粉、碳酸钙、高岭土、二氧化硅、碳纤维及ZnO等材料。

1、碳酸钙增强增韧聚丙烯

碳酸钙在聚丙烯复合材料中最大的特性是增韧效果极好，能够极大程度地提高聚丙烯的冲击强度。

研究表明，微米级碳酸钙对聚丙烯冲击强度的提升效果要远远优于普通级碳酸钙，而当使用纳米级碳酸钙时，这种特性就更加凸显。

当纳米碳酸钙的添加量较少时，可使聚丙烯的拉伸模量提高85%，冲击强度提高300%。当在聚丙烯中填充高组份的纳米碳酸钙时，则聚丙烯的拉伸强度有小幅度的下降，但聚丙烯的冲击强度得到显著提升，并且聚丙烯的收缩率也有所降低。

此外，当PP复合材料中含有较多纳米碳酸钙时，其实际密度要低于理论密度，原因在于大量的纳米碳酸钙的加入导致粉体中的空气同样进入PP基体，造成PP复合材料中存在很多纳米级的空洞，这种空洞结构对材料弯曲模量的提升有益。

2、纳米二氧化硅增强增韧聚丙烯

纳米二氧化硅是一种性能极其优异的无机改性填料，既能增强聚丙烯的拉伸强度，又能增强其冲击强度。并且在其用量极少的情况下，纳米二氧化硅的增强和增韧效果都要优于滑石粉和碳酸钙的增强增韧效果。

Y.Zhou等对比测试了滑石粉和纳米二氧化硅对聚丙烯改性效果的差异。研究发现仅添加5%纳米二氧化硅的聚丙烯的各项性能均要优于添加了40%滑石粉的聚丙烯。

纳米二氧化硅同时提高了聚丙烯的拉伸模量和屈服强度，提升比例分别为90%和5%。而滑石粉却仅对屈服强度有提升效果，不能提高拉伸模量。尽管滑石粉的填充量比纳米二氧化硅的高8倍，但试验表明滑石粉的增韧效果仍旧弱于纳米二氧化硅的增韧效果。

3、碳纤维填料增韧聚丙烯

上述无机填料都是粉体，但实际上，非粉体无机填料在PP改性中也得到了充分利用，如碳纤维、玻璃纤维等。

这类纤维材料单独作为填料使用时缺陷较大，对复合材料的力学性能和耐热性产生不利影响。因此，为了提高纤维-聚丙烯复合材料的力学性能和耐热性，通常会加入纳米无机颗粒来达到这一目的。

M.H.Gabr 等。研究了纳米粘土对碳纤维-聚丙烯复合材料的影响。当纳米粘土的填充量为3%时，复合材料的初始断裂韧度和传播断裂韧度可分别提高64%和67%。通过电子显微镜对断裂样品进行扫描表明，聚丙烯基体中分散良好的纳米粘土颗粒可以显着改善碳纤维与聚丙烯之间的界面相互作用。

在断裂过程中，如果将碳纤维顺利地从聚丙烯基体中剥离出来，它吸收的能量就会减少。当加入少量纳米粘土时，剥离后的碳纤维表面仍沾染聚丙烯，这意味着纳米粘土更好地改善了碳纤维与聚丙烯基体之间的界面相互作用。

4、复合无机填料增韧聚丙烯

众所周知，滑石粉可以提高聚丙烯的强度、刚度、尺寸稳定性和结晶度，但对聚丙烯的其他性能，如冲击强度和变形能力有不利影响。然而，碳酸钙以拉伸强度为代价提高了聚丙烯的冲击强度和变形能力。因此，综合利用两种无机填料的独特优势，可以达到无机填料复合共混的协同效果。

Y.W.Leong 用滑石粉和碳酸钙制备复合无机填料，并研究了两种填料的配比对聚丙烯力学性能的影响。结果表明，虽然两种填料协同作用，但它们的基本功能并未受到干扰。即滑石主要决定聚丙烯的拉伸性能和弯曲性能，而碳酸钙主要决定聚丙烯的冲击性能。

因此，当粉体加入量一定时，滑石粉含量越多，聚丙烯复合材料的拉伸强度和拉伸模量越大，弯曲强度和弯曲模量也越大。碳酸钙含量越多，聚丙烯复合材料的冲击性能越好。当滑石粉和碳酸钙的比例相同时，协同作用最为明显。此时聚丙烯复合材料的抗弯强度和冲击强度最大，综合性能较好。

近年来，硬质无机填料突破了使用单一材料的方法，选择两种或多种传统硬质无机填料混合使用，实现了复合材料性能的技术创新和突破。无机材料的改性方法也不限于一种，而是针对无机填料的特性，采用多种改性剂和多种改性方法，充分发挥无机填料的性能。