聚丙烯(PP)纳米SiO_2复合材料的流变行为、力学性

　　等规聚丙烯（pp）是目前世界应用最广泛的几大塑料品种之一，但由于其低温抗冲击性能差和室温缺口敏感性大而限制了其在某些方面的应用。提高聚丙烯材料的韧性是目前聚丙烯进行改性的重要课题之一。丙烯、乙烯共聚生产的PP-r是合成改性的重要产品之一。对于均聚PP多采用弹性体共混改性。乙丙塑料胶，特别是三元乙丙橡胶（EPDM）是聚丙烯增韧改性最广泛使用的材料，而关于其熔体流变行为的研究报道不多。流变性能是材料加工的理论基础，因此笔者对PP/纳米Si2复合材料的流变行为、力学性能和相态学进行了系统研究，旨在为复合材料的组成和加工提供理论依据。

　　1.从可以看出，随着纳米SiOz的加入，使复合材料的n值明显下降，这一现象是和材料的结构变化分不开的。PP/纳米SiOz复合材料中由于纳米粒子的表面能大、活性高，可与PP界面反应，改变了分子链的形态，因而在假塑性流动出现之后，含纳米SiOz的PP熔体非牛顿性增强，因而n值下降。

　　在230°C，2160g负荷下测得的PP/纳米Si2复合材料的熔体流动速率（MR）如所示。从中可以看出，随着纳米Si2含量的增加，熔体流动速率成下降趋势，且在纳米Si2填加量较少时，MR下降较小，随着纳米Si2含量的增加，MR下降趋势变大。这说明当纳米Si2含量增加时，PP/纳米Si2复合材料的熔体粘度增大趋势变得加快，这与前面的结2.3PP纳米SiOz复合材料熔体的弹性效应为在180°C、不同剪切应力下的膨胀比随纳米SiOz含量的变化情况。从可以看出，无论剪切应力大小，复合材料组成如何，挤出物都有不同程度的膨大现象（Bams），这是复合材料熔体流动过程中弹性行为的反映。一方面，在恒定剪切应力下，膨胀比随纳米SiOz含量的增加而减小，这是由于随着纳米SiOz含量的增大，熔体粘度也增大，PP分子链在毛细管中发生取向，而出毛细管后解取向困难造成的。另一方面，从中还可以看出，随剪切应力的增大，膨胀比呈增大趋势，造成这种现象的原因是随着剪切应力的增大，熔体贮存的弹性势能和正应力差都增大，故膨胀比也增大。因为高分子弹性势能的恢复和在流动过程中产生的正应力差是产生出口胀大的原因1131. 2.4 PP/纳米Si2复合材料的力学性能为纳米Si2用量对复合材料力学性能的影响关系。从a中可看出，随纳米Si2用量增加，PP/纳米Si2复合材料的缺口冲击强度有较明显的提高。b所示为复合材料的拉伸强度与纳米Si2加入量的关系，总体看来，体系的拉伸强度变化不大。

　　造成这种现象的原因在于：（1）由于纳米Si2粒径小、比表面积大、活性高，与基体树脂有较大的接触面积并与基体粘合牢固；（2）Si2粒径越小，曲率越大，对应力的分散就越好；3）当复合材料受到外力冲击时，纳米Si2与PP分子链形成的物理三维网络会起到应力集中作用，这些应力集中点会导致粒子周围树脂发生大的塑性变形和银纹效应而吸收冲击能。同时，从图中可以看出，当纳米Si2添加量超过4%时，复合材料的冲击强度有较大幅度的下降，这种现象可以理解为：纳米级粒子增多后，分散更加困难，易产生粒子“团聚”现象。由于“团聚”粒子的表面缺陷，容易引起基体树脂损伤而产生应力集中。另外，随纳米Si2加入，物理交联点增多，复合材料刚性增强，冲击强度下降。

　　2.5PP/纳米Si2复合材料的相态学为复合材料V型缺口冲击断面的扫描电镜照片。从图中可以看出，纯PP（a）的断裂面相对比较光滑，仅有小的塑性变形，说明其韧性很差。随着纳米Si2的加入复合材料的冲击断面比纯PP的变得粗糙，而且有较大的塑性形变，说明其韧性比纯PP有了显著的改善，其中尤以PP/4%纳米Si2最PP/纳米Si2复合材料的SEM照片所示为PP/纳米Si2复合材料的偏光显微镜照片，由图可见，纯PP的球晶粗大，结构完整，球晶与球晶之间的边界清晰，随着2%纳米Si2的加入，球晶的尺寸急剧变小，球晶的结构也很不完整，球晶边界变得非常模糊。当加入4%的纳米Si2时，晶体密度显著增大，晶粒变得更加细小，而小的晶粒尺寸有利于提高材料的冲击强14，从而进一步证明了纳米Si2的加入对PP基体起到了增韧改性作用。

　　3结论（1）PP/纳米Si2复合材料属假塑性流体，在PP中加入纳米Si2后熔体的表观粘度增大，非牛顿指数和熔体流动速率均随纳米Si2含量的增加而减小；在恒定剪切应力下，膨胀比随纳米Si2含量的增加而减PP/纳米Si2复合材料的POM照片（a）纯（2）纳米级Si2对PP有一定的增韧作用，而对材料拉伸性能几乎没有影响，在其用量为4%时复合材料综合性能最佳。PP/纳米Si2的扫描电镜照片和偏光显微镜照片则进一步证明了纳米Si2的加入导致了PP球晶尺寸减小，是提高PP冲击强度的原因之一。