聚丙烯(PP)作为最轻的工程塑料,具有刚度大、容易加工成型、来源广泛以及价格低廉等优点,广泛应用于汽车、家电及生活用品等领域[1-3]。但纯PP由于球晶较大,韧性较差,低温脆断明显,应用受到限制[4]。此外,纯PP的刚性较强,如果能够对PP进行增韧,达到刚韧共济的效果,则PP可以作为一种性能优异的工程材料,得到更为广泛的应用。将无机刚性粒子和无机纤维熔融共混是PP改性的一种简单有效的方法,通过两相的相互作用,可以提升PP的力学性能,降低PP的制备成本。邓鹏飞[5]利用环保材料玄武岩纤维对PP进行增韧改性。结果表明:与纯PP相比,玄武岩纤维改性可使PP复合材料的力学性能显著提高,拉伸屈服强度由38 MPa提高到89 MPa,缺口冲击强度由1.43 kJ/m2提高到4.53 kJ/m2。混凝土增强改性是目前备受关注的问题,在建筑工程中,具有极其广泛的应用前景。将塑料纤维分散在混凝土中,从而加固混凝土是目前常见的一种方式,尤其是PP纤维用于混凝土增强是一种较新的方法。由于CaCO3具有物理性质稳定、来源广泛、成本低等特性,因此,本实验采用熔融挤出共混法制备PP/CaCO3复合材料,通过拉伸试验、冲击试验等测定复合材料的力学性能,探讨不同CaCO3含量对力学性能的影响。将改性后的PP/CaCO3复合材料应用于传统混凝土材料增强,探究PP纤维对混凝土梁最大弯曲承载力的影响。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP),PPT30S,北京燕山鑫天泽化工有限公司;碳酸钙(CaCO3),300目,绵竹宏阳新材料有限公司;偶联剂,KH550,南京旭杨化工有限公司;抗氧剂,1010,上海卜丁化工有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机,SHJ-20,南京杰思特医疗设备有限公司;塑料注塑成型机,MA900ⅡS1280,宁波海天塑机有限公司;微机控制电子万能试验机,E44.104,深圳市美斯特工业系统有限公司;差示扫描量热仪(DSC),HS-DSC-101,上海和晟仪器科技有限公司;熔融指数测试仪,GT-7100MI,深圳市仪勤科技有限公司;冲击试验机,GT-9045-MDL,东莞市高铁检测仪器有限公司。1.3样品制备1.3.1PP/CaCO3复合材料的制备将KH550(20%)、乙醇(72%)、水(8%)配置成硅烷溶液,并调节pH值为4~5待用。100 ℃下将CaCO3粉末在真空干燥箱中干燥3 h。将干燥后的CaCO3粉末放入固体搅拌机,将上述硅烷溶液直接喷洒在填料上并搅拌,转速为1 000 r/min,搅拌时间20 min,将填料在120 ℃干燥2 h,得到CaCO3填料。将CaCO3填料、PP按一定比例加入高速混合机进行混合,用双螺杆挤出机挤出,挤出温度(185±5) ℃。切粒机造粒,将粒料烘干通过注射机注塑成哑铃状样条和长条状样条,备用。表1为PP/CaCO3共混体系配方。表2为注塑成型的主要工艺参数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.T001表1PP/CaCO3共混体系配方Tab.1Formula of PP/CaCO3 blend system样品PPCaCO3纯PP10000PP/5%CaCO395050PP/10%CaCO3900100PP/15%CaCO3850150PP/20%CaCO3800200gg10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.T002表2注塑成型主要工艺参数Tab.2Main process parameters of injection molding项目数值塑化温度/℃前/中/后(200/195/190)背压压力/%25注射时间/s5注射压力/%501~3段注射速率/%前/中/后(50/75/30)保压压力/%30保压时间/s10模具温度/℃65冷却时间/s101.3.2PP纤维和混凝土梁的制备熔体纺丝制备PP短纤维:(1)将PP粒料在螺杆挤出机中熔融,制备纺丝熔体;(2)熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流;(3)熔体细流冷却固化形成初生纤维;(4)初生纤维经上油和卷绕,冷却定形得到PP纤维。螺杆温度170~190 ℃,压力10 MPa;纺丝箱温度220~240 ℃,膨化140 ℃,压力4 MPa;拉伸温度120~130 ℃,拉伸速度180~200 m/min;纺丝速度500~800 m/min,侧吹风室温35~40 ℃。混凝土梁的制备:混凝土的等级为C20,混凝土梁的矩形截面125 mm×200 mm,长度为2 200 mm。在梁的施工过程中配置3种条件的混凝土:不加PP纤维(A条件),加质量分数为0.5%的纯PP纤维(B条件),加质量分数为0.5%的5% CaCO3改性后的PP纤维(C条件)。探究分别由3种条件制成的混凝土梁的最大承载外力和弯曲变形情况。表3为每立方米混凝土用料量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.T003表3每立方米混凝土用料量Tab.3Concrete per cubic meter组分指标水泥/kg404水/kg190砂子/kg524石子/kg1264砂率/%30水灰比0.471.4性能测试与表征拉伸性能测试:按GB/T 1040—1992进行测试,拉伸速率50 mm/min。冲击性能测试:将试样放置24 h后进行冲击试验,记录试样被冲断后吸收的能量和断面尺寸。熔体流动速率(MFR)测试:将已干燥的粒料每10 s自动剪切。选取5段均匀无气泡的段料进行质量测定。维卡软化温度测试:按GB/T 1634—1979进行测试。混凝土简支梁弯曲测试:按TB∕T 2092—2018进行测试。2结果与讨论2.1PP/CaCO3复合材料的SEM分析图1为PP/CaCO3复合材料断面的SEM照片。从图1可以看出,复合材料的断裂面粗糙,断口能够发现纤维区和剪唇区,断口呈现暗灰色、纤维状、具有韧窝状花样,断裂为韧性断裂。从图1a可以看出,当CaCO3含量为5%时,断裂面处并未发现CaCO3明显团聚现象,CaCO3均匀分散在PP体系中,表明两相有较好的相容性[6]。从图1b和图1c可以看出,当CaCO3含量继续增加,开始出现团聚现象,断面的凹陷较多,两相区别明显,尤其当CaCO3含量达到20%时,CaCO3团聚现象更加明显。表明高含量的CaCO3不能在PP基体中较好的分散。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F001图1不同CaCO3含量复合体系的断面SEM照片Fig.1SEM images of cross section of composite system with different CaCO3 content2.2PP/CaCO3复合材料的流变性能图2为不同CaCO3含量复合体系的熔体流动速率(MFR)。从图2可以看出,纯PP的MFR大概在3.0左右,加入少量CaCO3(5%)使得复合体系的MFR增加近20%,达到3.54。因为加入适量的CaCO3能够在PP基体内均匀分散,起到小颗粒润滑的作用,改善体系的流动性能[7];而CaCO3含量的持续增加不利于CaCO3的分散,反而团聚形成大颗粒刚硬粒子,阻碍分子链的运动,MFR呈现下降趋势。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F002图2不同CaCO3含量复合体系的熔体流动速率Fig.2Melt flow rate of composite system with different CaCO3 content2.3PP/CaCO3复合材料的维卡软化温度图3为不同CaCO3含量复合材料的维卡软化温度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F003图3不同CaCO3含量复合材料的维卡软化温度Fig.3Vicat softening temperature of composites with different CaCO3 content从图3可以看出,随着不同含量CaCO3的加入,复合材料的维卡软化温度呈现先上升后下降的趋势,其中,PP/5%CaCO3体系的维卡软化温度最高,为153.8 ℃。这是由于CaCO3在PP基体中作为异相成核剂促进PP的结晶,使得分子链间作用力增大,玻璃化转变温度升高,热变形温度上升[8-9];但随着CaCO3的不断加入,体系的维卡软化温度开始下降,可能是因为CaCO3含量增多,在PP基体内分散度下降,阻碍PP体系结晶。当CaCO3加入量为15%~20%时,体系的维卡软化温度下降趋势明显。2.4PP/CaCO3复合材料的力学性能图4为不同CaCO3含量复合材料的力学性能。图4不同CaCO3含量复合体系的力学性能Fig.4Mechanical properties of composite system with different CaCO3 content10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F4a1(a)应力-应变曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F4a2(b)弹性模量和拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.F4a3(c)冲击强度从图4a可以看出,纯PP的断裂伸长率为68%左右;5% CaCO3的加入使得PP的断裂伸长率明显提高,约为120%;但随着CaCO3含量的增加,断裂伸长率又逐渐减小。因为高含量的CaCO3在复合材料的拉伸过程中容易出现局部应力集中,导致复合材料的断裂伸长率降低[10]。从图4b可以看出,复合材料的弹性模量和拉伸强度呈现波动性变化,5% CaCO3的加入使得PP的结晶度提高,分子间作用力增加,弹性模量与纯PP相比增大,大致为660 MPa;而当CaCO3的含量为15%时,虽然体系结晶度下降,但由于CaCO3为刚性粒子,体系的模量提高明显,高于800 MPa;而当CaCO3含量为20%时,CaCO3在PP内部团聚严重,分散很差,阻碍结晶过程,复合材料的综合性能急剧下降,已不如纯PP。CaCO3含量为5%时,能够作为异相成核位点更好促进PP结晶,使得晶粒细化,拉伸引发的银纹和剪切带能够有效吸收外界能量,使得PP的拉伸强度上升。随着CaCO3的用量增加,拉伸强度下降,添加20% CaCO3下降至550 MPa左右。由于刚性大粒子阻碍分子相互作用,分子间作用力减小,导致拉伸强度逐渐下降。从图4c可以看出,PP/5%CaCO3的冲击强度明显增强,与纯PP相比,由1.5 kJ/m2上升至2.2 kJ/m2左右。因为加入少量CaCO3可以均匀分散PP基体内,与PP相容较好,能够作为应力中心引发银纹吸收能量,同时引发的剪切带能及时终止银纹,防止发展成破坏性的裂纹,保持体系的稳定;当PP基体中加入的CaCO3含量较多时,CaCO3的均一性下降,应力集中因子增大,引发的银纹不能被剪切带及时终止,在外界能量的作用下容易变成裂纹,体系遭到破坏,复合材料的冲击强度呈逐渐下降趋势。因此,CaCO3的加入量为5%时,复合材料呈现最优的力学性能,包括断裂伸长率、弹性模量和缺口冲击强度等与纯PP相比均有明显提升。结果表明:适当地添加CaCO3无机粒子能够有效提升PP的力学性能。3混凝土的增强应用表4为不加PP纤维(A条件),加纯PP纤维(B条件)和加5% CaCO3改性后的PP纤维(C条件)条件下梁的最大承载外力和弯曲变形情况。从表4可以看出,A条件中混凝土梁在29 kN情况下最先发生外力破坏,最大弯曲形变为9.14 mm;B条件下混凝土梁在32 kN情况下发生外力破坏,最大弯曲形变为13.81 mm;而C条件下混凝土梁抗外力能力最佳,加载力为36 kN,最大弯曲形变为20.2 mm,说明PP纤维的添加能有效地提高混凝土的承载载荷能力,且承载最大载荷能力随着PP的性能提升而增加。此外,梁的弯曲变形情况随PP的性能改善而增加,在相同外力作用下,B条件混凝土梁的弯曲变形大于A条件,这可能是由于PP纤维的添加使得混凝土的内部微观单元之间的作用力加强,整个材料体系形成网络结构,材料的韧性增加[11],能够通过网络结构单元形变的方式有效吸收外应力,未出现局部应力集中而产生破坏。C条件梁对应的弯曲形变和弯曲承载力最优,可能是由于CaCO3对PP纤维的增强和复合纤维在混凝土内部构建的受力网络。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.T004表4三种条件下混凝土梁的最大承载外力和弯曲变形情况Tab.4The maximum bearing external force and bending deformation of concrete beams under three conditions加载次数12345678910加载力/kN7101417202326293236A变形量/mm0.130.851.422.583.244.556.589.14——B变形量/mm0.351.061.692.713.354.816.719.3213.81—C变形量/mm0.381.101.752.813.364.926.859.4213.9520.204结论(1)CaCO3的适量加入能够有效改善PP的冲击强度和加工流动性,提升PP的力学性能;但CaCO3填充过多,会在PP基体内发生严重的团聚,造成复合材料的性能急剧下降,结果表明PP/5%CaCO3复合材料的综合性能最佳。(2)将混有5%CaCO3的PP纤维添加到混凝土中,PP纤维能与混凝土材料形成良好的网络结构,增强混凝土内部微观单元之间的作用力,使混凝土的弯曲承载力与原始混凝土相比提高近24.14%,与添加纯PP纤维的混凝土梁相比提高约12.5%,表明改性后的PP纤维能够有效提升混凝土梁的抗弯曲能力。

使用Chrome浏览器效果最佳,继续浏览,你可能不会看到最佳的展示效果,

确定继续浏览么?

复制成功,请在其他浏览器进行阅读