聚丙烯(PP)具有合成工艺成熟、质量轻、应用范围广和高强度等优点，在包装、电子、汽车等领域得到了广泛应用[1-3]。PP作为一种热塑性材料凭借着其优良性能逐渐实现对木制品、金属制品方面的替换[4]。PP通过注塑工艺能够简单快速的制备成管材，通过注塑工艺制备的管材具有较高的耐冲击性能、耐划痕性，可以作为给水管在各个方面实现广泛应用[5-6]。但是PP材料在处理具有腐蚀性的污水时存在着腐蚀后管材性能降低的现象，需要额外添加耐腐蚀性辅助材料以提高PP管材的耐腐蚀性能和力学性能。PP作为一种高分子材料，其耐温性能和阻燃性能也影响着PP塑料制品在使用过程中的应用环境。玻璃纤维(GF)是一种具有很强机械性能的无机非金属材料，主要是以无机物矿石作为原料通过高温熔融、拉丝成型工艺制备而成[7-8]。GF作为一种由无机物组成的纤维材料具有抗拉强度大的特性，可以作为增强体对提高聚合物基体的力学性能、耐温性能有着很好的增加作用[9]。本实验采用共混的方法将GF添加到PP材料中制备成PP/GF复合材料，并研究了GF的加入量对PP材料的力学性能和阻燃性能的影响规律。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP)，IM1500，密度0.9 g/cm³，江苏润扬塑材有限公司；玻纤(GF)，短纤维，单纤维直径11 μm，长度3.1~4.5 mm，四川威玻新材料集团有限公司。1.2仪器与设备拉力试验机，YC-121A，上海宇涵机械有限公司；塑料注塑成型机，LYH1680，宁波瑞亿机械制造有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT100，日本电子株式会社；水平垂直燃烧仪，CZF，南京市江宁区分析仪器厂；热重分析仪，TG209F1，德国Bruker公司；密炼机，XSN-3，泰兴市瑞星橡塑机械有限公司；电化学工作站，CS350H，武汉科思特仪器股份有限公司。1.3样品制备表1为PP/玻纤复合材料混合配料比例。将玻纤和PP塑料颗粒按照表1的比例放入到密炼机中进行均匀混合并切粒。将所获得PP/玻纤复合材料放入到塑料注塑成型机的喂料机中，设定注射机各个机组的温度(挤出螺杆温度195 oC、模头温度220 oC、注塑螺杆温度190 oC和模具温度55 oC)和注塑压力8 MPa，并打开冷却水循环系统。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1PP/GF混合配料比例Tab.1Basic formula of PP/GF样品编号PPGFA1000B1005C10010D10015E100201.4性能测试与表征微观形貌分析：用扫描电子显微镜配套的溅射仪对样品进行喷金后，观察不同配比的PP/GF复合材料的断面微观形貌。阻燃性能测试：样品尺寸为150 mm×10 mm×2 mm，夹持在垂直燃烧设备上，对试样底端施加火焰30 s，燃烧结束后停止火焰燃烧，观察试样自燃并开始计时直至火焰结束，记录火焰自燃熄灭时间。热稳定性测试：样品质量5 mg，升温速率5 oC/min,，升温范围室温~400 oC。拉伸强度测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，拉伸速率10 mm/min。弯曲强度测试：按GB/T 9341—2008进行测试，样板尺寸80 mm×10 mm×2 mm，测试速率2 mm/min。抗腐蚀性能测试：将制备的不同配比PP/GF复合材料放入浓度为30%的氢氟酸溶液中进行7 d的浸泡。浸泡结束后，进行力学性能测试。电化学防腐测试：采用三电极法，参比电极是饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，室温下进行测试。用动电位的方法测得电极的极化曲线，相对于开路的扫描电压范围-0.5~0.5 V，扫描速率0.5 mV/s。2结果与讨论2.1样品微观形貌分析图1为PP、GF通过注塑后制备成的PP/GF复合材料的SEM照片。纯PP塑料经过密炼机处理后呈现出表面光滑的形貌。按照不同的掺入比例将GF加入到PP塑料后，可以观察到GF以均匀分散的状态分散在PP塑料中，GF作为增强体起到很好的承受载荷的作用[10-11]。不同比例的GF作为增强体加入PP材料中后在PP/GF复合材料表面并没有观察到明显的孔隙、凹槽和凸起。这表明GF添入PP材料中并不会明显的改变PP材料光滑的结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1PP/GF复合材料的SEM照片Fig.1SEM photos of PP/GF composites2.2阻燃性能分析表2为不同质量比的GF掺入到PP中之后的垂直燃烧性能。从表2可以看出，纯PP塑料经过甲烷火焰燃烧后自燃时间最长。当GF不断加入PP材料中后，PP/GF复合材料的自燃时间不断变短，表明通过GF掺入到PP中可以明显提高复合材料的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2GF用量对PP/GF复合材料阻燃性能的影响Tab.2Effect of GF content on flame retardancy of PP/GF compositesGF含量/%05101520垂直燃烧时间/s21.515.67.95.33.12.3热稳定性分析图2为不同配比的PP/GF复合材料的TG曲线。从图2可以看出，在室温~180 oC范围内，纯PP和PP/GF复合材料仅发生轻微的失重现象，但是在这个过程中，PP材料的失重现象要明显高于PP/GF复合材料。当加热温度升温至183 oC后，纯PP材料开始发生明显的质量变化。但是5%和10% GF掺入的PP/GF复合材料在升温至190 oC时质量发生明显降低，而15%和20% GF掺入的PP/GF复合材料在升温至大于200 oC后时才发生质量变化。这一现象表明通过将GF加入PP塑料后能够提高PP塑料的热稳定性能[12-13]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2PP/GF复合材料的TG曲线Fig.2TG curves of PP/GF composites图3为经过热失重实验后的残炭形貌分析。从图3可以看出，纯PP材料经过热处理后基本上已经反应不存在了，但是GF由于其较高的耐温性保留了下来，且发生了团聚现象聚集在了一起。这是由于PP较低的耐温性在受热时发生燃烧，而PP/GF复合材料由于GF的存在使得PP部分存留了下来，GF团聚在一起使得内部的PP材料避免燃烧挥发。这一特性使得PP/GF复合材料具有较好的耐温性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3PP/GF复合材料的残炭SEM照片Fig.3Residual carbon SEM images of PP/GF composite表3为不同配比的PP/GF复合材料在400 oC加热处理后的残炭率。从表3可以看出，纯PP材料在400 oC时，基本上已经燃烧完全，没有剩余。随着GF填入量继续增加，PP/GF复合材料的残炭率也在不断增加，表明GF对阻燃效果起到了一定的促进作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3不同配比的PP/GF复合材料的残炭率Tab.3Residual carbon rate of PP/GF compositePP/GF100/0100/5100/10100/15100/20残炭率1.0515.819.142.248.9%%2.4拉伸强度和弯曲强度分析图4为GF加入量对PP/GF复合材料的拉伸强度和弯曲强度的影响以及经过氢氟酸腐蚀后的力学性能。图4PP/玻纤复合材料腐蚀前后的拉伸强度和弯曲强度Fig.4Stretch strength and bending strength of PP/GF composites before and after corrosion10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005(b)弯曲强度当GF加入量在0%~15%范围内，PP/GF复合材料的拉伸强度和弯曲强度随着GF加入量不断增加而逐渐提高。这表明GF作为增强体在提高PP塑料的力学性能方面表现出了良好的增强效果。但是GF的加入量超过15%时其力学强度开始降低，这是由于GF加入量增加过多，严重影响了PP材料自身的分子链之间的连接强度，从而导致了PP/GF复合材料力学性能发生明显降低。当GF加入量为15%时，PP/GF复合材料表现出了最佳的拉伸强度(20.3 MPa)和弯曲强度(39.1 MPa)。通过对比氢氟酸腐蚀前后的PP/GF复合材料力学性能，可以看出经过氢氟酸腐蚀后的PP/GF复合材料的拉伸强度和弯曲强度发生了一定的降低。但是随着GF加入量的增加，腐蚀后的力学性能变化越来越小，表明GF的加入能够提高复合材料的耐腐蚀性能。2.5电化学耐腐蚀分析动电位极化电位曲线的横坐标为电位，其大小是反映材料的耐腐蚀倾向，腐蚀电位越高，表面活性越低，材料越不易被腐蚀；纵坐标为电流密度的对数值，电流密度能够反映腐蚀电流的大小，能够反映材料的腐蚀速度，其值越小腐蚀速率越慢。图5为不同配比制备的PP/GF的动电位极化曲线。从图5可以看出，将GF加入PP材料中，PP/GF复合材料的耐腐蚀电流变小电压变大，表明GF能够明显提高PP材料的耐腐蚀性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图5不同配比制备的PP/GF的动电位极化曲线Fig.5Potentiometric polarization curves of PP/GF prepared at different ratios3结论(1)通过注塑挤出工艺成功制备了PP/GF复合材料。通过扫描电子显微镜可以明显地观察到GF能够在PP材料中均匀分散，且起到很好的载荷作用。(2)GF的加入能够提高PP/GF复合材料的阻燃性能，且阻燃性能随着GF的添加量增加而不断提高。通过TG测试可以检测到GF的加入在一定程度上能够提高PP材料的耐热性能。(3)随着GF的加入，GF在PP材料中的均匀分散起到良好的分散载荷作用，使得PP/GF复合材料力学性能也得到了明显提高。当GF加入量为15%时，PP/GF复合材料表现出了最佳的拉伸强度(20.3 MPa)和弯曲强度(39.1 MPa)，且具有一定的耐腐蚀性能，对提高PP在塑料管材中的应用有很好的促进作用。