PVC /硫酸镁晶须复合材料性能的研究

发布时间:2011-01-07 56
      PVC /硫酸镁晶须复合材料性能的研究
  张凯舟1,袁绍鹏1,2,何 力1,许国杨1,2
  (1.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心,贵州贵阳550014;2.贵州大学材料科学与冶金工程学院,贵州贵阳550003)
  摘要:制备了聚氯乙烯/硫酸镁晶须(PVC/MSW)复合材料,用扫描电镜观察了复合材料中MSW的取向,研究了不同取向MSW的复合材料随MSW用量变化的力学性能和耐热性。结果表明,试样中MSW是高度取向的;纵向裁制的试样,即MSW沿拉伸方向取向时,具有较好的综合力学性能;冲击强度随MSW用量的提高呈先增大后减小的趋势,在MSW为15份时达到最大值;拉伸强度略有下降。而横向裁制试样的冲击强度与拉伸强度都随MSW用量的提高快速下降,这是由于MSW与基体结合力较小引起的。MSW的加入对复合材料的维卡软化点几乎没有影响。
  关键词:聚氯乙烯;硫酸镁晶须;力学性能;取向
  中图分类号:TQ325·3   文献标识码:B   文章编号:1005-5770 (2009) 06-0018-03
  聚氯乙烯(PVC)是一种通用塑料,其具有很多优良的性能,同样也存在一些如冲击性能差、难加工等缺点,应用无机填料改性PVC是一种常用的方法[1-3]。硫酸镁晶须(简称MSW)是一种新型纤维状增强材料,具有十分优良的物理力学性能。与常用的无机填料相比,具有填充能力强,增强材料再生循环能力强,对树脂色调影响小等特性。但MSW呈针状体,在加工过程中较容易发生取向,从而导致复合材料的性能出现各向异性[4]。本实验研究了不同用量的MSW取向对PVC/MSW复合材料性能的影响。
  1·实验部分
  1·1 主要原料
  PVC: SG5,贵州省安龙金宏特种树脂有限公司;MgSO4晶须: 1/d>80 (厂家数据),营口威斯克化学有限公司;热稳定剂:天盛塑料助剂有限公司;ACR、PE蜡、硬脂酸钙均为市售工业级。
  1·2 仪器及设备
  高速混合机: SHR-10A ,张家港市宏基机械有限公司; 25 t平板硫化机:江都市明珠试验机械厂;开放式炼胶机: SK-100,上海科创橡塑机械设备有限公司;冲片机: XJY-Ⅰ,承德市金建检测仪器有限公司;万能试验机: DW-100,上海华光测试仪器有限公司;冲击试验机: ZBC-4,深圳市新三思材料检测有限公司;维卡软化点测试仪:英国RAY-RAN公司;扫描电子显微镜: KYKY-2800B型,中科院仪器厂。
  1·3 PVC测试样条的制备
  将MSW (0~30份)与PVC及加工助剂按照一定的配方加入高速混合机中混合10min,出料;混合料在开放式炼胶机上于170~175℃的辊温条件下塑炼5 min;将塑炼好的PVC复合材料按照辊转动的方向裁成模具大小的片,然后在25 t平板硫化机上于190℃模压5 min,冷压至室温;然后将压好的PVC板在万能制样机上沿纵向、横向分别裁制试样。
  1·4 性能测试和表征
  力学性能:拉伸性能按照GB/T 1040—2006测试,试样为哑铃形,拉伸速率为50 mm/min;缺口冲击强度按照GB/T 1843—1996测试, V形缺口,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm,缺口深度2 mm。维卡软化温度:按照GB/T 1633—2000测试。扫描电镜分析(SEM):对断面喷金,然后用扫描电子显微镜观察。
  2·结果与讨论
  2·1 PVC/MSW复合材料的断面微观形貌
  图1是分别按纵向、横向裁制试样的PVC/MSW复合材料的冲击断面扫描电镜照片。从图1可以看到,MSW在PVC/MSW复合材料中高度取向,图1a是MSW在复合材料中的取向与断裂面垂直,而图1b是MSW在复合材料中的取向与断裂面平行,两种裁制方向试样中MSW的取向如图2所示。
  2·2 MSW用量对PVC/MSW复合材料冲击性能的影响
  图3是MSW /PVC复合材料缺口冲击强度随MSW用量的变化曲线。从图3可以看到,纵向裁制的试样,即MSW取向与冲击断面垂直时,冲击强度呈先增大后减小的趋势,在MSW用量5份时,材料的缺口冲击强度快速提高了大约50%, 5~15份时,材料的缺口冲击强度略有提高,而MSW用量在15~30份时,材料的缺口冲击强度又快速降低了约18%。一般认为,晶须加入对复合材料冲击强度的提高是由于晶须导致基体局部应力状态改变引起的,冲击能耗散的主要途径是晶须的拔出、断裂与基体塑性变形[5-6]。图1a是相应的冲击断面SEM照片,可以看到上面有大量的MSW拔出后留下的空洞,还有断裂的MSW,所以在MSW低添加量时冲击强度的提高认为是由MSW的拔出、断裂引起的,虽然随着MSW用量的提高, MSW拔出的总数会增加,但材料强度并不与MSW用量成正比,这是因为随MSW用量的提高,基体通过塑性形变吸收冲击能的能力变小,抵消了MSW拔出增加的贡献,另外随MSW用量的提高, MSW开始团聚,末端的缺陷增多,从而导致1份添加量以后,冲击强度的下降。
  而横向裁制的试样,即MSW取向与冲击断面平行时,材料的缺口冲击强度降低,当MSW用量到30份时,冲击强度已经降低到没有添加MSW时的80%。图1b是相应冲击断面的SEM照片,可以看到在断裂面上分布着裸露的沿断面取向的MSW,可以认为冲击强度的降低是因为MSW与基体的结合力较小,冲击时, MSW与基体撕裂消耗的能量要小于基体塑性变形消耗的能量,随MSW用量的提高,冲击强度快速下降。
  2·3 MSW用量对PVC/MSW复合材料拉伸性能的影响
  图4是MSW /PVC复合材料拉伸强度随MSW用量的变化曲线。从图4可以看到,纵向裁制的试样,即MSW沿拉伸方向取向时,拉伸强度变化较小,略有下降。这是因为在MSW /PVC复合材料中, MSW与基体结合力较小,材料受到拉伸应力时, MSW很容易从PP基体中拔出,形成空洞,引起应力集中,导致材料断裂,拉伸强度下降[7]。但在拉伸时,MSW还是承担了一部分力,所以,拉伸强度降幅较小。图5是相应的拉伸断面扫面电镜图,可以看到,断面上分布着由基体中拉出的MSW。
  而横向裁制的试样,即MSW垂直于拉伸方向取向时,材料的拉伸强度随MSW用量的提高快速线性下降。当MSW用量到30份时,材料的拉伸强度已经降低到没有添加MSW时拉伸强度的一半,这是由于MSW与基体结合力较弱,随着MSW用量的提高,拉伸强度越来越决定于MSW在面上的用量,势必导致拉伸强度的快速降低。
  2·4MSW用量对PVC/MSW复合材料维卡软化温度的影响
  图6是材料的维卡软化点随MSW用量变化的曲线,由于维卡软化点是恒速升温时按照一个点压入到材料中一定深度时对应的温度值,所以MSW取向对维卡软化点没有影响。从图6可以看到,随MSW用量的提高,材料的维卡软化温度基本没有变化。
  3·结论
  制备的MSW /PVC复合材料中MSW具有明显的取向,所以纵向、横向裁制的试样具有不同的力学性能。纵向裁制的试样,即MSW沿拉伸方向取向(MSW垂直于冲击断面取向)时具有较好的综合力学性能,冲击性能在5份添加量时有较大的提高,但随着用量的提高,材料的冲击强度又开始下降;拉伸强度略有下降,但变化不大。而横向裁制的试样,即MSW垂直于拉伸方向取向(MSW沿冲击断面取向)时,材料的力学性能都急剧下降。MSW用量对PVCMSW复合材料的维卡软化点没有影响。
  参 考 文 献
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