1、技术创新 ，收稿日期：基金项目：河南省优秀科技创新团队计划资助项目（）第一作者：靳月红（），女，河南许昌人，工程师，研究方向为氮化硼基复合材料。通信作者：孙长红（），男，河南巩义人，助教，研究方向为氮化硼基复合材料。文章编号：（）不同粒径氮化硼对聚丙烯复合材料性能的影响靳月红，孙长红，刘书锋，（郑州博特硬质材料有限公司 技术部，河南 郑州 ；郑州职业技术学院新材料工程学院，河南 郑州 ；信阳德福鹏新材料有限公司 技术部，河南 信阳 ）摘要：以聚 丙 烯（）为 基 体、不 同 粒 径 氮 化 硼（）为填充物，采用熔融共混的方法制备聚丙烯氮化硼（）复合材料。通过耐冲击性能、弯曲性能、拉伸性能分析和
2、热分析，研究 粒径对 复合材料性能的影响。结果表明：不同粒径 均可提高复合材料的冲击强度，试验所用填充 的两种粒径，在填充量为时均能让复合材料的冲击强度达到约 ，比纯 基体的冲击强度增加了 ；与 粒径的 相比，填充粒径的 可显著提高复合材料的抗弯折能力；填充两种粒径的，均能降低复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，且在所研究范围内，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率与 粒径关系不大；复合材料的熔体流动速率随两种粒径 填充量的增大而表现出先增大后逐渐减小的趋势；填充两种粒径，均能提高复合材料的结晶温度，降低复合材料的结晶度，但熔融温度变化不大。关键词：聚丙烯；氮化硼；复合材料中图分类号：；文献标识码：聚丙
3、烯（）具有良好的化学稳定性，耐高温，耐腐蚀，除能被浓硫酸、浓硝酸腐蚀外，对其他各类化学试剂的稳定性较好，可用于制造各种化工管线及附件。的高频绝缘性能优良，几乎不吸水，绝缘性能不受湿度影响；有较高的击穿电压和介电系数，可用于电绝缘产品和电气设备等。在低温情况下，的耐冲击性、耐候性和表面装饰性较差。为了提升 的综合性能、拓展其应用，常采用填充改性的方法来实现 的改性。氮化硼（）的热膨胀系数低、高温绝缘性能优良，导热系数高达 （），广泛应用于电子封装领域和高温环境。在 基体中添加 来制备聚丙烯氮化硼（）复合材料，既能有效改善复合材料的导热性，又能保持复合材料良好的绝缘性。方超等对改性 填充母粒增强
4、材料的用途、改性 的 材料及其制造方法进行了研究，制得的改性 增强 材料在熔融指数、拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度、弯曲模量、简支梁缺口冲击性等方面具有明显的优势。骆永新通过对马来酸酐接枝聚丙烯和氮化硼氨基化，制备了一种纳米 改性 的复合介电薄膜。采用该方法制备聚合物复合介电薄膜材料的介电常数明显高于传统方法，且在抑制介质损耗方面效果明显。该方法 在电 介 质 储 能 技术领域 具 有 较 大 的 应 用价值。本文以不同粒径 作为无机填充材料，对 进行填充改性，经小型锥形双螺杆挤出机挤出，制备 复合材料，研究 粒径不同对复合材料性能的影响。原料和试验方法 原料和设备准备，型号为 ，由山东武胜天
5、然气化工有限技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第期公司提供。：由苏州纳朴材料科技有限公司提供的原料粒径为，纯度为；由信阳市德福鹏新材料有限公司提供的原料粒径为（以下记作），纯度为。石蜡和抗氧剂均为市售品。小型锥形双螺杆挤出机，型号为 ；风冷输送机，型号为 ；微型切粒机，型号为 。以上种设备均由武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司提供。微型注塑机，型号为 ，由上海新硕精密机 械 有 限 公 司 提 供。熔 融 指 数 仪，型 号 为 ，由厦门弗布斯检测设备有限公司提供。拉伸万能试验机，型号为 ，由温州方圆仪器有限公司提供。万能试验机，型号为 ，由高铁科技股份有限公司提供。缺口制样机，型号为 ，由承
6、德市大加仪器有限公司提供。摆锤冲击试验机，型号为 ，由深圳三思检测技术 有 限 公 司 提 供。差 示 扫 描 量 热 仪，型 号 为 ，由美国仪器公司提供。复合材料制备本文采用熔融共混方式制备 复合材料。首先将 和粒径为、的两种 都置于 的电热真空干燥箱中，干燥处理；然后分别针对两种粒径的，按表所示配方称量、石蜡和抗氧剂，并进行充分的预共混；再将混合好的原料用小型锥形双螺杆挤出机挤出，经风冷输送机冷却、实验微型切粒机切粒，得到复合材料颗粒；最后对复合材料颗粒进行干燥。表制备 复合材料的配方序号 石蜡抗氧剂 注：制备复合材料时，粒径为 和的两种 均按该配方进行填充。样条制备将采用熔融共混方式制
7、备的 复合材料的粒料倒入微型注塑机中，制作试验样条。将模具温度设置为，料筒温度设置为 ，并将弯样条模具放在合模装置的和料筒中加热。在料筒达到预设温度后，将预先称量的原料倒入料筒，并在 后放入螺杆，加热 ，用纱布擦拭料筒下方枪口流出的原料，再将料筒移到模具上方，开始注塑。注塑完毕即可打开模具，拿出样条，制成个弯曲试验样条、个冲击试验样条和个拉伸试验样条。所制备试验样条如图所示。（）拉伸试验样条（）弯曲试验样条图所制备试验样条将每个样条放在缺口制样机中制出一个缺口，待用。材料性能表征将 型拉伸万能试验机的拉伸速度设定为 ，按 试验标准测试 复合材料拉伸试验样条的拉伸性能。将 型万 能 试 验 机
8、的 运 行 速 度 设 定 为 ，按 标准测试 复合材料弯曲试验样条的弯曲性能。采用 型摆锤冲击 试 验 机，按 标 准 测 试 复合材料冲击试验样条的耐冲击性能。采用 型熔融指数仪，选用 砝码，并将温度设定为 ，按 标准测定复合材料的流动性能。在采用 型差示扫描量热仪对 复合材料进行热分析时，以 的速率升温到 后保温 ；以 的速率从 降到 ；然后，以 的速率从 再升到 。记录整个过程中 复合材料熔融温度和结晶温度的数据变化。结果与讨论 复合材料的冲击强度图所示为 粒径及其填充量对复合材料冲击强度的影响。技术创新 ，图 粒径及其填充量对复合材料冲击强度的影响由图可看出：分别填充两种粒径的 ，均
9、可提高 复合材料的冲击强度；在填充量不超过时，一定粒径范围内，粒径的变化对 复合材料冲击强度的影响不大；在 填充量为时，复合材料的冲击强度达 左右，比纯 基体的冲击强度增加了 ；当 填充量超过后，在所研究范围内填充不同粒径的，对 复合材料冲击强度的影响不同，但冲击强度始终高于纯 基体；在 填充量为 时，对应 粒径为、的 复合材料冲击强度分别为 、，相比纯 基体分别增加了 和 ；在 填充量大于但两种粒径的 含量相同时，对应 粒径为的复合材料冲击强度始终低于对应 粒径为 的复合材料。由文献 可知：填充量较小时，小粒径 粒子之间接触概率较小；填充量超过一定值时，相同用量下小粒径 粒子表面能较大，较容
10、易发生集聚而产生应力集中，导致了冲击强度的下降。复合材料的弯曲性能图所示为 粒径及其填充量对复合材料弯曲性能的影响。由图可看出，分别填充两种粒径的 ，均可明显提高 复合材料的弯曲模量，但对弯曲强度的影响不同。具体而言，两种粒径 的加入，使 复合材料的弯曲模量均随 填充量的增大而逐渐增强，填充量由 到 时提升效果尤为显著；填充粒径 制备 复合材料（）弯曲模量曲线（）弯曲强度曲线图 粒径及其填充量对复合材料弯曲性能的影响的弯曲模量始终高于填充 粒径 制备 复合材料的弯曲模量，同时随着 填充量的增大，用相同填充量的两种粒径 分别制备 复合材料弯曲模量的差值也在变大。由图还可看出，填充粒径为 的 可明
11、显提高 复合材料的弯曲强度，而填充 的 对 复合材料弯曲强度有显著的降低作用。具体而言，在 填充量小于 时，复合材料弯曲强度的增强趋势不明显，而在填充量为 时，复合材料的弯曲强度达到了 ，比纯 基体增加了 ，这说明加入 可较好地提高 复 合 材 料 的 抗 弯 折 能 力；填 充 粒 径 为 制备 复合材料的弯曲强度的变化则相反，它随着填充量的增大从整体上呈下降趋势，在填充量为 时，复合材料的弯曲强度下降至 ，比纯 基体降低了 ，继续增大填充量后弯曲强度反而变化不大，这是因为大粒径 的填充反而会破坏 基体的连续性，相当于加剧了 复合材料的内部缺陷，导致技术创新 成组技术与生产现代化 年第 卷第
12、期了其弯曲强度的下降。复合材料的拉伸性能图所示为 粒径及其填充量对复合材料拉伸性能的影响。（）拉伸强度曲线（）断裂伸长曲线图 粒径及其填充量对复合材料拉伸性能的影响由图可看出：分别填充两种粒径的 ，均可降低 复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，且在所研究范围内 复合材料的断裂伸长率与 粒径的关系不大；在 填充量为时，用两种粒径 分别填充的 复合材料的拉伸强度均下降约 ，下降了约 ，这是因为 分子表面缺乏发生化学反应的官能团，化学惰性强，与 聚合物的相容性差，导致 复合材料的界面处缺陷加剧，在受到较小外力作用时，复合材料的应力集中区即出现明显断裂，造成其拉伸强度和断裂伸长率的减小；在 填充量大于时，
13、复合材料的拉伸强度变化不大，但相同填充量下由粒径 制备的 复合材料拉伸强度总是高于由 粒径 制备的 复合材料，这是因为大粒径 较容易形成应力集中，导致了 复合材料的拉伸强度减小得更明显。复合材料的熔体流动性能图所示为 粒径及其填充量对复合材料熔体流动性的影响。图 粒径及其填充量对复合材料熔体流动性的影响由图可看出，复合材料的熔体流动速率随两种粒径 填充量的增大均表现出先增大后逐渐减小的趋势。具体而言，在 填充量为时，由 粒径 和粒径 制备 复合材料的熔体流动速率约分别为 和 ，比纯 基体分别增大了 和；在相同填充量下，由 粒径 制备的 复合材料的熔体流动速率总是高于由 粒径 制备的 复合材料。
14、分析可知：常温下无机粒子 能较好地分散于 基体中并被 分子链所 包 裹，使 分 子 链 之 间 的 运 动 阻 力 增 大，复合材料的耐冲击性和耐弯曲性变强；而熔融态时，分子链的活动能力较强，同时，通常作为润滑剂的 在相同质量下粒径大的 粒子数量较少，粒子间接触概率小，分布在 分子链之间，减弱了分子链之间的相互作用力，分子链流动性变强，从而由较大粒径 粒子制备的 复合材料的熔体流动速率较大；随着 填充量从开始的继续增大，随机取向分布的 粒子会变成 分子链流动的阻力，导致 复合材料熔体流动速率的下降。技术创新 ，复合材料的结晶行为表所示为纯 基体和两种粒径 填充量为 的 复合材料的 测试结果。这
15、里，指差示扫描量热法。表纯 基体和两种粒径 填充量为 的 复合材料的 测试结果样品（）（）纯 基体 粒径 填充的 粒径 填充的 注：为材料的结晶温度；为材料的结晶热焓；为结晶温区的平均温度；为材料的熔融温度；为材料的熔融热焓；，为材料 结晶度的熔融热焓，取 。由表可知：不同粒径的 加入后，相较于纯 基体，复合材料的结晶温度均增高，而熔融温度变化不大；加入 粒径的 后，复合材料的上升 ，降低 ；加入粒径的 后，复合材料的上升 ，降低 ；加入不同粒径 后，复合材料的结晶热焓和熔融热焓均分别减小 和 左右，且均明显降低，这说明 粒径的不同对结晶行为影响不大；和降低，说明 复合材料中分子热运动减弱，原
16、因在于降温过程和升温过程中，复合材料中无机刚性粒子会阻碍分子的热运动，导致相应热焓值的降低；结晶时纯 基体分子链的旋转和折叠需要一个过程，粒子的加入影响了 复合材料的结晶过程，减小了 基体分子链段的取向程度，降低了复合材料的结晶度。结论（）所用两种粒径 填充 基体，均可提高 复合材料的冲击强度。填充量不超过时，一定粒径范围内，粒径的变化对 复合材料冲击强度的影响不大。填充量超过后，在所研究范围内，填充不同粒径的 ，对复合材料冲击强度的影响不同，但冲击强度始终高于纯 基体。（）所用两种粒径 填充 基体，均可明显提高 复合材料的弯曲模量，但二者对弯曲强度的影响不同。粒径为的 可提高 复合材料的弯曲强度，粒径为 的 对复合材料弯曲强度有显著的降低作用。（）所用两种粒径 填充 基体，对 复合材料的拉伸强度和断裂伸长率的影响基本相同，不同填充量下 粒径的变化对 复合材料断裂伸长率的影响均较小。（）复合材料的熔体流动速率随 填充量的增大而表现出先增大后逐渐减小的趋势。相同填充量下，由 粒径 制备 复合材料的熔体流动速率总是高于由粒径 制备的 复合材料。（）不同粒径的 加入后，相较于纯 基体，复合材
