聚丙烯（PP）的運用范圍十分廣泛，但由于其力學性能不夠優異，在工程上的應用受到了一定的限制。目前，最典型的力學性能改性方法是向聚丙烯中填充無機填料，如滑石粉、碳酸鈣、高嶺土、二氧化硅、碳纖維及ZnO等材料。
1、碳酸鈣增強增韌聚丙烯
碳酸鈣在聚丙烯復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度。
研究表明，微米級碳酸鈣對聚丙烯沖擊強度的提升效果要遠遠優于普通級碳酸鈣，而當使用納米級碳酸鈣時，這種特性就更加凸顯。
當納米碳酸鈣的添加量較少時，可使聚丙烯的拉伸模量提高85%，沖擊強度提高300%。當在聚丙烯中填充高組份的納米碳酸鈣時，則聚丙烯的拉伸強度有小幅度的下降，但聚丙烯的沖擊強度得到顯著提升，并且聚丙烯的收縮率也有所降低。
此外，當PP復合材料中含有較多納米碳酸鈣時，其實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致粉體中的空氣同樣進入PP基體，造成PP復合材料中存在很多納米級的空洞，這種空洞結構對材料彎曲模量的提升有益。
2、納米二氧化硅增強增韌聚丙烯
納米二氧化硅是一種性能極其優異的無機改性填料，既能增強聚丙烯的拉伸強度，又能增強其沖擊強度。并且在其用量極少的情況下，納米二氧化硅的增強和增韌效果都要優于滑石粉和碳酸鈣的增強增韌效果。
Y.Zhou等對比測試了滑石粉和納米二氧化硅對聚丙烯改性效果的差異。研究發現僅添加5%納米二氧化硅的聚丙烯的各項性能均要優于添加了40%滑石粉的聚丙烯。
納米二氧化硅同時提高了聚丙烯的拉伸模量和屈服強度，提升比例分別為90%和5%。而滑石粉卻僅對屈服強度有提升效果，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
上述介紹的無機填料均為粉體，但實際上，非粉末狀的無機填料在PP改性中也得到充分應用，比如碳纖維和玻璃纖維。
這類纖維材料在單獨作為填料使用時有較大的缺陷，對復合材料的機械性能和耐熱性產生不利作用。因此，為了提升纖維-聚丙烯復合材料的力學性能以及耐熱性，通常另外添加納米無機顆粒來實現這種目的。
M.H.Gabr等研究了納米黏土對碳纖維-聚丙烯復合材料的影響。當納米黏土的填充量為3%時，復合材料的起裂韌度和傳播斷裂韌度能分別提升64%和67%。對斷裂樣件進行電鏡掃描，結果顯示在聚丙烯基體中分散良好的納米黏土顆粒，能顯著提高碳纖維與聚丙烯的界面相互作用。
在斷裂過程中，如果碳纖維被光滑地剝離出聚丙烯基體，則吸收能量較少。當添加少量納米黏土后，被剝離出的碳纖維表面還沾有部分的聚丙烯，意味著納米黏土較好的改善了碳纖維和聚丙烯基體間的界面相互作用。
4、復合無機填料增韌聚丙烯
眾所周知，滑石粉可以實現對聚丙烯強度、剛度、尺寸穩定性和結晶度的提升，但對聚丙烯其他性能有不利影響，比如沖擊強度和可變形性。而碳酸鈣卻恰恰以拉伸強度為代價，提升聚丙烯的沖擊強度和可變形性。因此，綜合利用兩種無機填料獨特的優勢，可達到無機填料復配共混的協同效應。
Y.W.Leong等采用滑石粉和碳酸鈣來配制復合無機填料，并研究兩種填料的配比對聚丙烯力學性能的影響。結果表明，盡管兩種填料共同作用，但各自基本功能不受干擾，即滑石粉主要決定了聚丙烯的拉伸性能和彎曲性能，而碳酸鈣主要決定了聚丙烯的沖擊性能。
因此，在粉體添加量一定時，滑石粉的含量越多，聚丙烯復合材料的拉伸強度和拉伸模量就越大，彎曲強度和彎曲模量也相應增大。而碳酸鈣的含量越多，聚丙烯復合材料的沖擊性能就越好。當滑石粉和碳酸鈣比例相同時，協同效應最為明顯，此時聚丙烯復合材料的彎曲強度和沖擊強度最大，綜合性能更優良。
近年來，剛性無機填料突破了使用單一材料的方法，選擇混合兩種或幾種傳統剛性無機填料，實現技術上的創新和復合材料性能上的突破。對于無機材料的改性方式同樣不局限于一種，而是針對無機填料的特性，使用多種改性劑并采用多種改性方式，充分發揮無機填料的各項性能。
參考資料：[1].郝旭飛,魯守釗.剛性無機填料增強增韌聚丙烯（PP）研究進展[J].汽車文摘,2019(6):22-26.
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關注中國粉體技術網官方微信（粉體技術網）
|
