聚丙烯(PP)材料是一种成本低廉的高分子材料，应用领域广泛[1]。但PP存在一些缺陷，如在挤压成型的过程中存在一定的非牛顿性，导致制品的收缩率较大。PP力学强度不高、耐高温性差，需要对其进行改性处理，提升其力学性能和阻燃性能。目前研究显示，通过物理改性可以提高PP复合材料的力学性能、耐高温性能、抗震性能[2-4]。近年来，改性PP材料相关技术发展较快，能够满足汽车仪表板的材料需求[5]。董海鹏等[6]研究石墨烯改善PP的性能，采用共混法制备PP复合材料。结果表明：复合材料具有较好的力学性能和热学性能。祝惠一等[7]采用多壁碳纳米管改性PP材料，并且探究材料的力学性能和电性能。结果表明：该复合材料的硬度随碳纳米管含量的增加而增大。玄武岩纤维(BF)是一种性能优异且环境友好的纤维材料，具有高强度高模量、耐高低温、耐酸碱腐蚀等优势，成为复合材料的增强体。赵赫等[8]利用改性BF增强树脂基复合材料。结果表明：改性BF对复合材料的力学性能具有增强作用。目前改性BF对PP复合材料性能影响的研究较少。此外，随着碳酸钙(CaCO3)表面处理技术的不断发展，其在降低制品成本的同时，也可改善制品的性能。本实验将改性BF和CaCO3与PP进行共混，探究改性BF及CaCO3对PP复合材料力学性能、光学性能及耐热性的影响，以期获得最佳的汽车仪表板用改性PP复合材料配方。1实验部分1.1主要原料硅烷偶联剂，KH550，安徽硅宝有机硅新材料有限公司；玄武岩纤维(BF)，纤维长度60 mm，山东兴茂工程材料有限公司；聚丙烯(PP)，纯度99%，保定市兰竹化工有限公司；碳酸钙(CaCO3)，分析纯，赤城县宏鑫矿业有限公司。1.2仪器与设备烘干箱，CT-C，苏州恒邦烘箱制造有限公司；高速混合机，GHJ，无锡鑫海干燥粉体设备有限公司；双螺杆挤出机，SHJ50，南京创博挤出设备有限公司；全液压注射机，YT-X，东莞市银通机械科技有限公司；万能试验机，LW-300B，沧州市龙贝试验仪器有限公司；简支梁冲击试验机，YF-8012，扬州市源丰检测设备有限公司；光泽度仪，IQ-S，广州卓谐仪器设备有限公司；电热鼓风干燥机，TX-881，常州市强迪干燥设备有限公司；热变形温度测定仪，HE-WKD-3，中朗科技有限公司；介电常数测试仪，ZJD-C、电场强度测试仪，HI3624A，北京中航时代仪器设备有限公司；极限氧指数仪(LOI)，KS-653BH，上海今森检测设备有限公司。1.3样品制备1.3.1改性BF的制备将BF浸泡在的丙酮溶液中48 h去除表面上浆剂，通过去离子水清洗5~6次后放入60 ℃烘箱中充分烘干。将无水乙醇和去离子水以体积比8∶2混合，按照质量比1∶1将KH550制成醇解溶液，混合搅拌均匀后，将BF置于该溶液中，常温下混合反应5 h，用乙醇漂洗多余且未反应的KH550醇解溶液，放入120 ℃真空干燥箱中干燥，取出冷却，得到改性BF。1.3.2PP/BF和PP/BF/CaCO3复合材料的制备表1为PP/BF与PP/BF/CaCO3复合材料配方。按表1配方将一定比例的PP、改性BF、CaCO3添加到高速混合机中均匀混合，使用熔融共混法混合，并倒入在双螺杆挤出机料斗中，控制整个机器的温度在190~220 ℃之间，确保进料速度与机器转速之间保持一致，挤出混合物料后拉条处理[9]，置于常温蒸馏水中冷却后切粒，获得PP复合材料。将该材料置于80 ℃烘干箱中2 h后，使用设定温度为210 ℃的全液压注射机将PP/BF和PP/BF/CaCO3复合材料注塑成哑铃型标准测试样条。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.T001表1PP/BF与PP/BF/CaCO3复合材料配方Tab.1Formula of PP/modified BF and PP/modified BF/CaCO3 composites序号样品PP改性BFCaCO31PP100002PP/10%BF901003PP/20%BF802004PP/30%BF703005PP/20%BF/5%CaCO3752056PP/20%BF/10%CaCO37020107PP/20%BF/15%CaCO36520158PP/20%BF/20%CaCO3602020%%1.4性能测试弯曲强度测试：按ISO 178—2019进行测试，弯曲速率为5 mm/min，跨距为100 mm，每组测定5个样条。拉伸强度测试：拉伸速率为20 mm/min，每组测定5个样条。缺口抗冲击强度及无缺口抗冲击强度测试：按ISO 179—2000进行测试。透明度和雾度测试：按GB/T 2410—2008进行测试，样品直径为120 mm，厚度为1 mm。热变形温度测试：按GB/T 1634.2—2019进行测试，温度传导介质选用甲基硅油，升温速率为2.0 mm/min。介电性能测试：频率范围设置为1~104 Hz，样品直径为4 cm，测试温度为25 ℃，湿度为50%。击穿电场强度测试：按GB/T 1408.1—2016进行测试，其中起始电压强度设置为20 kV，后加压至样品击穿。LOI测试：按GB/T 2406—1993进行测试。垂直燃烧测试：按GB/T 2408—2006进行测定。TG分析：N2气氛，升温速率为10 ℃/min。2结果与讨论2.1改性BF含量对PP/BF复合材料力学性能的影响对不同改性BF含量的PP/BF复合材料的力学性能进行测试，表2为测试结果。从表2可以看出，随着改性BF含量的增加，PP/BF复合材料的拉伸强度和弯曲强度也不断增加，其中PP/30%BF复合材料的拉伸强度和弯曲强度均达到最大，相较于纯PP材料分别增加了41.23%和35.88%。由于改性BF具有优异的力学性能，对复合材料进行拉伸和抗弯曲测试过程中，承担了大部分的力学载荷[10]，形成较为良好的纤维取向和刚性骨架，进一步抵消PP基体内由于内应力不足而导致的损伤[11]，从而使复合材料的拉伸强度和弯曲强度得到提升。这与张圣昌等[12]研究结果类似，硅烷偶联剂改性BF能够提升复合材料的拉伸强度和弯曲强度。但是PP/30%BF复合材料的拉伸强度和弯曲强度最大，但是相对于PP/20%BF纤维增强的效果放缓。PP/BF复合材料的缺口抗冲击强度随改性BF含量的增加呈现先上升后下降的趋势，BF的含量为20%时增强效果最强。由于改性BF能够耗散复合材料在遭受冲击过程中大量外部载荷的能量[13-14]。但当改性BF含量为30%时，复合材料的抗冲击强度均较BF含量为20%时降低。改性BF含量在20%时，BF/PP复合材料的缺口抗冲击强度达到最高，无缺口抗冲击强度、拉伸强度和弯曲强度较好，表明在此添加量下，改性BF能够有效改善PP/BF复合材料力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.T002表2PP和PP/BF复合材料的力学性能Tab.2Mechanical properties of PP and PP/BF composites样品拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa缺口抗冲击强度/（kJ·m-2）无缺口抗冲击强度/（kJ·m-2）PP35.4838.354.8658.47PP/10%BF40.4641.845.0735.69PP/20%BF49.3550.376.4525.77PP/30%BF50.1152.116.2224.212.2改性BF含量对BF/PP复合材料光学性能的影响图1为PP和PP/BF复合材料的光学性能。从图1可以看出，随着改性BF含量的增加，PP/BF复合材料的透明度先增加后保持平稳，添加20%BF时达到最高；而PP/BF复合材料的雾度先降低后趋于平稳。当改性BF含量在20%时，PP/BF复合材料的透明度和雾度均达到最佳，分别为73%和30%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F001图1PP和PP/BF复合材料的光学性能Fig.1Optical properties of PP and PP/BF composites2.3改性BF含量对PP/BF复合材料热变形温度的影响图2为PP和PP/BF复合材料的热变形温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F002图2PP和PP/BF复合材料的热变形温度Fig.2Hot deformation temperature of PP and PP/BF composites从图2可以看出，PP/BF复合材料的热变形温度随着改性BF含量的增加而不断升高，在BF含量30%时达到最高，为105.2 ℃，较纯PP材料升高了74.69%。说明改性BF可以有效提升PP的耐热性能。复合材料的热变形温度能够有效反映材料受热和变形之间的关系，是衡量材料短期耐热性能的重要指标[15]。改性BF增强PP复合材料的热性能，主要是由于BF具有一定的刚性，其作为刚性纤维加入后可以固化和其相连的分子，导致BF和PP连接区域的移动性降低[16]，提升了其热稳定性。2.4CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料力学性能的影响表3为PP和PP/BF复合材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.T003表3PP/BF和PP/BF/CaCO3复合材料的力学性能Tab.3Mechanical properties of PP/BF and PP/BF/CaCO3 composites样品拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa缺口抗冲击强度/（kJ·m-2）无缺口抗冲击强度/（kJ·m-2）PP/20%BF49.3550.376.4525.77PP/20%BF/5%CaCO352.2352.347.2130.21PP/20%BF/10%CaCO354.3357.348.8833.23PP/20%BF/15%CaCO355.3458.679.3035.12PP/20%BF/20%CaCO353.4456.669.0034.33从表3可以看出，加入CaCO3后，复合材料的拉伸强度、弯曲强度均明显增加；加入15% CaCO3时，复合材料的拉伸强度及弯曲强度均达到最高。表明CaCO3能够增强复合材料的力学性能。而当CaCO3含量进一步增加时，复合材料的拉伸强度和弯曲强度小幅降低。由于CaCO3的比表面积较大，表面能相对较高，因此能够和PP/BF复合材料之间进行紧密结合，相容性增强[17]，从而达到增强和增韧的作用。随CaCO3含量不断增加，复合材料缺口和无缺口的抗冲击强度均呈现先上升后下降的趋势，在CaCO3的含量为15%时达到最高，较PP/BF样品分别增加了44.19%和36.28%。由于CaCO3在PP基体中有较好的分散性，且和PP基体的相容性较强，CaCO3粒子在PP基体内和其他粒子的间距较小，导致粒子周围的基质韧带层产生屈服，进一步阻碍裂缝的出现和发展[18]，提升复合材料的力学性能和抗冲击强度。而CaCO3的含量为20%时，复合材料的抗冲击强度降低，由于CaCO3浓度过高时在PP基体内产生CaCO3的团聚现象[19]，进一步降低了其抗冲击强度。2.5CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料光学性能的影响图3为PP/BF/CaCO3复合材料的光学性能。从图3可以看出，CaCO3含量对复合材料的透明度和雾度的影响相对较小，随着CaCO3含量的增加，PP/BF/CaCO3复合材料的透明度和雾度无明显变化，透明度小幅降低。由于CaCO3具有一定的白度，常作为材料着色剂[20]，实验中CaCO3的含量相对较少，对复合材料光学性能的影响较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F003图3PP/BF/CaCO3复合材料的光学性能Fig.3Optical properties of PP/BF/CaCO3 composites2.6CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料热变形温度的影响图4为PP/BF/CaCO3复合材料的热变形温度。从图4可以看出，随着CaCO3含量的增加，复合材料的热变形温度不断上升，CaCO3含量为20%时，复合材料的热变形温度较未添加CaCO3复合材料提高了39.94%，表明CaCO3在提升PP/BF/CaCO3复合材料耐热性能方面发挥有效增强作用。由于CaCO3可以吸收促进分解的物质[21]，进一步提升复合材料的热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F004图4PP/BF/CaCO3复合材料的热变形温度Fig.4Hot deformation temperature of PP/BF/CaCO3 composites2.7CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料介电常数的影响纯PP材料在绝缘材料领域的应用有限，因此制备出具有高介电常数及低介电损耗的复合PP材料至关重要。图5为PP/BF/CaCO3复合材料的介电常数。从图5可以看出，随着CaCO3含量的增加，PP/BF/CaCO3复合材料的介电常数呈现先明显上升后稍微下降的趋势，在CaCO3含量在15%时达到最高，为3.11。主要是由于CaCO3的体积电阻率较高，但随着CaCO3含量的进一步增加，复合材料的介电常数小幅降低；CaCO3含量过高时导致复合材料产生团聚，在CaCO3含量为15%时复合材料具有较好的电场绝缘能力。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F005图5PP/BF/CaCO3复合材料的介电常数Fig.5Dielectric constant of PP/BF/CaCO3 composites2.8CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料击穿电场强度的影响PP复合材料的击穿特性是其作为电容器介质最重要的性能。图6为PP/BF/CaCO3复合材料的击穿强度。从图6可以看出，直流电场下的击穿强度略低于交流电场下的击穿强度。随着CaCO3含量的增加，复合材料的直流和交流击穿强度均不断增加，而CaCO3含量为20%时有小幅降低。由于CaCO3的加入对复合材料的介电常数有所影响，表明加入15%CaCO3的复合材料具有较好的电绝缘性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.F006图6PP/BF/CaCO3复合材料的击穿强度Fig.6Breakdown strength of PP/BF/CaCO3 composites2.9CaCO3含量对PP/BF/CaCO3复合材料阻燃性能的影响表4为PP/BF/CaCO3复合材料的LOI值和垂直燃烧(UL-94)结果。从表4可以看出，随CaCO3含量的增加，复合材料的LOI先增加再降低。当CaCO3添加量为15%时，PP/BF/CaCO3LOI达到最大，为27.8%，所有测试样品的效果均能够达到UL-94的V-0等级。CaCO3的加入能够有效改善PP/BF/CaCO3复合材料阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.05.012.T004表4PP/BF/CaCO3复合材料的LOI和UL-94结果Tab.4LOI and UL-94 results of PP/BF/CaCO3 composites样品CaCO3含量/%LOI/%UL-94等级PP/20%BF025.3V-0PP/20%BF/5%CaCO3525.7V-0PP/20%BF/10%CaCO31026.5V-0PP/20%BF/15%CaCO31527.8V-0PP/20%BF/20%CaCO32026.7V-03结论（1）改性BF的掺入有效改善PP/BF复合材料的力学性能、光学性能及耐热性。随着改性BF含量的增加，PP/BF复合材料的拉伸强度、弯曲强度呈现上升趋势，而缺口抗冲击强度呈现先上升后下降的趋势。PP/BF复合材料的透明度随改性BF添加量的增加呈先上升后平稳的趋势，雾度呈先下降后平稳的趋势。PP/20%BF复合材料的综合力学和光学性能均达到最佳。PP/BF复合材料的热变形温度也随改性BF含量的增加不断升高。（2）CaCO3的掺入使PP/BF/CaCO3复合材料力学性能得到改善，耐热性增强。CaCO3的含量为15%时，PP/BF/CaCO3力学达到最佳，拉伸强度为55.34 MPa，弯曲强度为58.67 MPa，缺口和无缺口抗冲击强度分别为9.30 kJ/m2和35.12 kJ/m2。PP/BF/CaCO3复合材料光学性能未受到CaCO3的影响。而随着CaCO3含量的增加，复合材料的热变形温度不断增加，LOI先增加后小幅降低，加入15%CaCO3的复合材料LOI为27.8%。CaCO3的加入导致PP/BF/CaCO3复合材料的介电常数、直流和交流击穿强度先上升后小幅降低，在CaCO3含量为15%时达到最高。