3.3 PP/EPDM/滑石粉微孔发泡复合材料制备和性能
（程实，胡凌骁，丁玉梅，杨卫民，谢鹏程）
自从微孔发泡这个概念提出以后，针对聚丙烯微孔成型的研究一直都是热点。纯的聚丙烯由于熔体强度低，其发泡效果不理想。PP与EPDM共混后，不仅可以提高制品的冲击强度，而且可以改善材料的熔体强度，改善制品的泡孔微观形态，但是会在一定程度上降低PP的刚性。而加入一定量的滑石粉，不仅可以增加复合材料的刚性，而且滑石粉可以作为成核剂，来提高微孔聚丙烯的泡孔成核效率。目前，针对EPDM、滑石粉和聚丙烯三者共混增强增韧微孔发泡方面的研究较少，文章研究了共混物中滑石粉的含量对于PP/EPDM/滑石粉复合材料的微观形态和力学性能的影响，以提高PP微孔发泡复合材料制品的综合性能，扩大PP微孔发泡复合材料制品的应用范围。
3.3.1 实验原料与设备
（1）主要实验原料 PP：ST868M，台湾福聚股份有限公司；EPDM：3745P，美国陶氏公司；滑石粉：5000目，广西龙胜滑石粉公司；氮气：99.9％，北京东方医用气体有限公司；偶联剂：KH550，南京曙光公司。
（2）实验仪器及设备 高速混合机：GRH-10，辽宁省阜新轻工机电设备厂；双螺杆挤出机：SHJ-30，南京杰亚挤出装备有限公司；微发泡注射成型机：PT130，力劲机械有限公司；超临界气体注入设备：FPC-1/V/N2，北京中拓机械有限公司；电子万能材料试验机：LR30KPlu，英国Lloyd公司；冲击试验机：resilimpactor 6957，意大利西斯特公司；扫描电子显微镜：JSF-7600，日本日电公司。
（3）PP/EPDM/滑石粉三元复合制品的制备
①原材料制备 先用含量1.5％的偶联剂对滑石粉进行表面改性处理，然后将PP/EPDM/滑石粉以质量比75/25/0、75/23/2、75/21/4、75/19/6、75/17/8、75/15/10在高速混合机分别共混8min，随后使用双螺杆挤出机进行造粒。挤出造粒所采用的加工工艺如下：从加料段到机头的温度是140℃、155℃、170℃、175℃、180℃、180℃、185℃、185℃、180℃，挤出机转速100r/min，喂料速度12r/min。
②制品制备 使用微发泡注射成型机在相同工艺条件下将上述6组PP复合材料制成符合国标要求的常规和微孔发泡的拉伸、弯曲和冲击样条。主要加工工艺参数如下：熔体温度180℃，注射速度75mm/s，注射时间0.8s，注射压力为70MPa，超临界气体注入压力170MPa，模具温度25℃。
（4）性能表征测试 力学性能测试：拉伸强度、弯曲强度和冲击强度的测试分别按照国标GBT 1040.2—2006、GBT 9341—2000和国标GBT 1843—2008进行。
微孔制品微观形态观察：先将微孔制品在一定量的液氮中浸泡3～5min，取出后立即脆断，然后用刀片将制品切成符合要求的样品，最后喷金后在扫描电镜下观察。
3.3.2 滑石粉含量对PP/EPDM/滑石粉微孔发泡制品微观形态的影响
图3-54是PP/EPDM/滑石粉微孔发泡复合材料的SEM图，其不同滑石粉含量下的泡孔平均直径和泡孔密度如图3-55所示。当滑石粉质量分数在0～4％时，随着滑石粉含量的升高，微孔制品的泡孔平均直径变小，且泡孔的密度变大，泡孔分布也变得相对均匀。这是因为加入适量的滑石粉，不仅可以提高复合材料的熔体强度，增加气泡成长过程中的阻力，减小泡孔的直径；而且PP与滑石粉两相交界处能量位垒低，滑石粉可以促使气体在两相交界处异相成核，以增加气体的成核点来提升泡孔的密度。这两种促进因素的协同作用，使复合材料的泡孔密度增加，泡孔平均直径减小。
图3-54 不同滑石粉含量下的PP/EPDM/滑石粉微孔发泡复合材料的SEM图
滑石粉质量分数（a）0％；（b）2％；（c）4％；（d）6％；（e）8％；（f）10％
图3-55 滑石粉含量对复合材料的泡孔平均直径和泡孔密度的影响
当滑石粉含量超过4％后，随着滑石粉含量继续增大，微孔制品的泡孔平均直径开始变大，且泡孔密度减小，并逐渐出现气泡合并和大泡孔等现象。这主要是因为随着滑石粉含量继续增加，会导致滑石粉颗粒和EPDM粒子等粒子之间的相互聚集，引起了发泡不均匀的现象。而且随着滑石粉含量的升高，复合材料中PP的相对含量降低，而泡孔只是存在PP区域，这也会引起泡孔密度的降低。因此，只有添加适量滑石粉的PP/EPDM/滑石粉复合材料，才会有较好的发泡效果。
3.3.3 滑石粉含量对PP/EPDM/滑石粉微孔发泡复合材料力学性能的影响
图3-56为滑石粉含量对复合材料对拉伸强度的影响，从图可以看出，随着滑石粉含量的增加，复合材料实心制品的拉伸强度呈现总体下降的趋势，但是下降的幅度不大。这是因为微细的滑石粉具有片状结构，相对CaCO3等无机填料而言，可以较好的保持制品的拉伸强度。
图3-56 滑石粉含量对复合材料拉伸强度的影响
对于复合材料微孔制品而言，随着滑石粉含量的升高，拉伸强度先增大后减小，并且在滑石粉含量为4％时，取得最大值。这主要是因为在发泡程度相同的情况下，泡孔平均直径越小，泡孔密度越大，且泡孔分布均匀时，微孔可以很好地保持制品的力学性能，而且PP/EPDM/滑石粉复合材料实心制品的拉伸强度相对于没有添加滑石粉的PP/EPDM实心制品而言下降幅度小；这两者的综合作用导致了滑石粉质量分数为2％和4％的PP/EPDM/滑石粉微孔复合材料制品的拉伸强度高于未加滑石粉的PP/EPDM/滑石粉微孔复合材料制品的拉伸强度。而随着滑石粉含量继续升高，泡孔的分布形态变差，微孔制品导致保持原有力学性能的能力变差，且PP/EPDM/滑石粉复合材料实心制品的拉伸强度相对于没有添加滑石粉的PP/EPDM实心制品的拉伸强度之间的差值加大，因而出现了与实心制品拉伸强度相同的下降趋势。
图3-57为滑石粉含量对复合材料弯曲强度的影响，从图可以看出，随着滑石粉含量的升高，PP/EPDM/滑石粉复合材料实心制品弯曲强度逐渐提高。这是因为滑石粉的刚性强于PP/EPDM复合材料，加入一定量的滑石粉后，可以提升滑石粉的弯曲强度。对于PP/EPDM/滑石粉复合材料微孔制品而言，随着滑石粉含量升高，其弯曲强度也是不断提高。这是因为尽管在滑石粉添加量为2％、4％时，微孔制品的气泡微观形态不断改善，保持制品弯曲性能的能力提升，但是随着滑石粉含量升高，实心制品弯曲强度提升幅度较大，因而未出现如拉伸强度那样先升高后降低的变化趋势。
图3-57 滑石粉含量对复合材料弯曲强度的影响
图3-58为滑石粉含量对复合材料冲击强度的影响，从图中可以看出，随着滑石粉含量的升高，PP/EPDM/滑石粉复合材料实心制品冲击强度逐渐下降。当滑石粉含量在0～4％之间变化时，实心制品冲击强度降幅小；随后，实心制品的冲击强度降幅变大。这主要是因为复合材料中有EPDM这种较强韧性的物质，加入一定量的滑石粉后，意味着EPDM的含量降低，从而导致了实心制品的冲击强度降低。而对于PP/EPDM/滑石粉微孔制品而言，当滑石粉的质量分数在0～4％之间时，冲击强度随着滑石粉含量的升高而增大；而当滑石粉含量超过4％后，冲击强度随着滑石粉含量升高而降低。这也是因为滑石粉含量在0～4％的范围时，制品的微观形态逐渐改善，使微孔制品冲击强度损失较少，且此范围内的PP/EPDM/滑石粉复合材料实心制品与未添加PP/EPDM复合材料实心制品相比，冲击强度降幅小，从而使当滑石粉质量分数为4％时，微孔制品的冲击强度取得极大值。
图3-58 滑石粉含量对复合材料冲击强度的影响
对于复合材料实心制品而言，随着滑石粉含量的增高，拉伸强度和冲击强度呈现减小的趋势，而弯曲强度呈现增大的趋势。而对于复合材料微孔制品而言，趋势并不完全相同，且当滑石粉的质量分数为4％时，微孔制品的综合力学性能最佳。此比例的PP/EPDM/滑石粉复合材料微孔制品，相对于未添加滑石粉的PP/EPDM复合材料微孔制品而言，其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度分别提高了2％、6％、4％。因而，加入适量滑石粉，可以有效地提高了PP/EPDM/滑石粉复合材料微孔制品的力学性能。
3.3.4 结论
①对于PP复合材料微孔制品而言，添加适量的滑石粉和EPDM与单独添加EPDM相比，PP复合材料制品的泡孔形态有较大的改善，且当滑石粉含量为4％时，微孔制品的微观形态最好。
②与未添加滑石粉的PP/EPDM复合材料微孔制品相比较，滑石粉含量为4％的PP/EPDM/滑石粉复合材料微孔制品的力学性能有一定的提升。