随着建筑工程材料轻量化趋势的发展和国家“双碳”环保要求的提出，轻量化高强度的复合建筑工程材料越来越受到行业的重视[1]。对传统的聚丙烯(PP)材料进行玻纤(GF)增强改性，不仅可以节约PP原料的用量，还可以提升材料的力学、热变形性能，是目前塑料改性热门的研究方向[2-4]。玻纤增强PP复合材料的力学性能通常远大于未改性的PP树脂的性能，在建筑工程领域的某些部件上可达到以塑代钢的目的，为这些领域材料的轻量化和多样化提供更多选择。玻纤(GF)是一种力学强度高、耐热性能好、柔软度高且成本相对低廉的无机材料，通过将其与PP树脂熔融复合，既提升复合材料力学性能，同时降低材料的收缩率和原料成本。但是由于GF是一种无机材料，具有较强的极性，与PP树脂类的非极性有机高分子材料相容性和包覆性差，需要利用有机高分子材料对GF进行接枝改性，以达到与PP树脂相容的效果[5-7]。本实验利用双螺杆挤出机对PP、GF、改性助剂等混合料进行熔融共混挤出。通过添加马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)、硅烷偶联剂(KH550)，在双螺杆熔融、分散、剪切作用下，对GF进行表面包覆改性，以达到与PP树脂共熔的目的，从而制备高性能PP/GF/PP-g-MAH复合材料，并对复合材料的性能进行测试。1实验部分1.1主要原料聚丙烯树脂(PP)，T30S，中石化茂名石化有限公司；玻璃纤维(GF)，386T，中国巨石股份有限公司；马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH)，0918，宁波盛颢塑化有限公司；硅烷偶联剂，KH550，山东海偶有机硅科技有限公司；复合抗氧剂，B215，德国巴斯夫公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，CTE-35，科倍隆科亚（南京）机械设备有限公司；恒温恒湿箱，KBF-240，德国宾得仪器科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quattro，美国FEI公司；热重分析仪(TG)，TG209F1，德国耐驰公司；塑料注射机，MA-300，海天国际控股有限公司；缺口制样机，PG-5036，东莞市品高检测仪器有限公司；万能拉力试验机，JS-30，承德金建检测设备有限公司；冲击试验机，JSC-25，承德金建检测设备有限公司。1.3样品制备表1为PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料配方。将PP粒料与一定比例的KH550在高速混合机中搅拌2 min，向高速混合机中加入一定量PP-g-MAH、B215，搅拌3 min。将混好的原料投入双螺杆挤出机，设定挤出温度为210 ℃，主机转速为300 r/min，喂料机转速为20 r/min，加入GF，且m（投入喂料）∶m(GF)=7∶3，在双螺杆挤出机中进行熔融共混、剪切、挤出、造粒，制备PP/GF/PP-g-MAH复合材料。将PP/GF/PP-g-MAH干燥处理，利用注射机依照国标要求制备样条，经恒温恒湿箱状态调节(23±2) ℃、50%湿度，调节48 h后，进行测试。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.T001表1PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料配方Tab.1Formula of PP/GF and PP/GF/PP-g-MAH composites样品PPGFKH550B215PP-g-MAH1#69.3300.50.202#68.3300.50.213#67.3300.50.224#66.3300.50.235#65.3300.50.24%`/%1.4性能测试与表征力学性能测试：按GB/T1040.1—2018进行测试，拉伸速率50 mm/min，弯曲速率5 mm/min。每个样品测试5个样条数据，每次测量取5个样条的平均值作为最后结果。成型收缩率测试：按GB/T 17037.2—2020制备60 mm×60 mm×2 mm的注塑小方块，注塑完成后把试样放在低导热的表面上冷却至室温，分别测定试样平行和垂直于流道方向的尺寸l0、b0，精确0.01 mm，再将该试样放至(23±2) ℃恒温恒湿箱中，调节16~24 h，再次测定试样平行和垂直于流道方向的尺寸l1、b1，精确0.01 mm。样片模塑后的收缩率计算公式为[8]：Spp=(l0-l1)l0×100% （1）Spn=(b0-b1)b0×100% （2）式（1）、（2）中：Spp为材料平行于流道方向的收缩率，即横向收缩率，%；Spn为材料垂直于流道方向的收缩率，即纵向收缩率，%。SEM分析：将PP、PP/GF/PP-g-MAH样品裁成5 mm×5 mm×2 mm表面平整的小方块，表面喷金处理后在10 kV电压下进行观察。TG分析：N2气氛，升温速率50 ℃/min，加热至600 ℃。2结果与讨论2.1复合材料的拉伸性能分析图1为PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的拉伸性能。图1PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的拉伸性能Fig.1Tensile property of PP/GF and PP/GF/PP-g-MAH composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F1a1(a)拉伸曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F1a2(b)拉伸强度及应变从图1可以看出，1#样品承受最大应力负荷为1 674 N（对应拉伸强度为35.572 MPa），最大拉伸位移为72 mm（对应断裂标称应变为72.319%）。随着PP-g-MAH加入量的增加，样品2#~5#的最大应力负荷（拉伸强度）和最大拉伸位移（断裂标称应变）呈现先增大后减小的趋势。当PP-g-MAH加入量为3%，样品4#的拉伸性能达到最佳，最大应力负荷和最大拉伸位移分别为2 397 N和170 mm，对应拉伸强度和断裂标称应变分别为66.740 MPa和172.318%。这是由于未添加PP-g-MAH时，GF在PP树脂中处于物理复合状态，与PP树脂相容性差；随着PP-g-MAH的加入，使GF与非极性的PP树脂发生化学键合，在双螺杆熔融挤出过程中形成有机结合的整体，GF发挥有效增强作用。但当PP-g-MAH添加量为4%，复合材料的拉伸性能略有下降，这是由于当PP-g-MAH添加量过大，其与GF表面键合的KH550有机分子发生过多的交联，由于交联度过大，会在GF表面产生团聚，形成细小的“疙瘩”，阻碍GF与PP树脂有机融合[9]，导致拉伸性能降低。2.2复合材料的弯曲性能分析图2为PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的弯曲性能。从图2可以看出，未添加PP-g-MAH时，样品1#的弯曲强度为22.21 MPa，弯曲应变为7.23%，此时材料的弯曲刚性和韧性均较差。随着PP-g-MAH加入量的增加，PP/GF/PP-g-MAH复合材料的弯曲强度和弯曲应变均呈现先增大后减小的趋势。当PP-g-MAH添加量为3%，样品4#的弯曲强度和弯曲应变均达到最大值，分别为35.87 MPa和12.78%，较样品1#明显提升。这与拉伸性能中PP-g-MAH对复合材料强度影响的机理一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F002图2PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的弯曲性能Fig.2Bending properties of PP/GF and PP/GF/PP-g-MAH composites2.3复合材料的冲击强度分析图3为PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的冲击强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F003图3PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的冲击强度Fig.3Impact strength of PP/GF and PP/GF/PP-g-MAH composites由于GF是线性结构，其对PP树脂的力学性能增强主要体现在拉伸性能和弯曲性能方面，而对于横向的冲击性能没有明显提升。从图3可以看出，样品1#的简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度分别为11.65 kJ/m2和10.78 kJ/m2。随着PP-g-MAH加入量的增加，简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度表现先增大后减小的趋势。当PP-g-MAH添加量在2%，样品3#的简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度分别为15.02 kJ/m2和14.87 kJ/m2，冲击强度达到最大。继续加入PP-g-MAH，样品的冲击强度开始降低，当PP-g-MAH加入量达到4%，样品5#的简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度分别为10.15 kJ/m2和9.77 kJ/m2，低于样品1#的冲击强度。这可能是PP-g-MAH的加入使GF在PP树脂内部规整分布，GF起骨架支撑作用[10]，当材料受到冲击时，这种骨架可以吸收大部分的冲击力，使其均匀快速分散至材料各个部位，增强其抗冲击性能；而随着交联密度的增大，这种骨架被打乱，使其冲击强度降低。2.4复合材料的成型收缩率分析表2为PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的成型收缩率。从表2可以看出，复合材料的收缩率在加入PP-g-MAH后先降低后升高，PP-g-MAH的添加量为3%时，PP/GF/PP-g-MAH的收缩率达到最低值，横向和纵向收缩率分别为0.81%和0.82%。这与GF在PP树脂中的“骨架作用”有关。GF的加入在PP树脂中形成有序的骨架结构，对高分子材料的流动性起“收紧”作用；但PP-g-MAH的加入使交联密度过大时，GF无法均匀分散，这种有序结构被打乱，GF骨架作用反而不明显。加入适量的PP-g-MAH可增强GF与PP树脂的结合能力，使两者形成有机的整体，降低复合材料收缩率，提升复合材料成型稳定性[11]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.T002表2PP/GF/PP-g-MAH复合材料的成型收缩率Tab.2Translate of PP/GF/PP-g-MAH composites项目样品1#2#3#4#5#横向收缩率Spp1.060.890.850.810.93纵向收缩率Spn1.090.840.870.820.97%%2.5复合材料的SEM分析图4为复合材料的SEM照片。从图4a可以看出，未添加GF和PP-g-MAH时，无机颗粒B125只能物理性地黏附在PP树脂表面，甚至形成局部团聚，无法充分分散。从图4b可以看出，未添加PP-g-MAH时，GF表面较光滑，在PP树脂中只呈现物理包裹状态，且分布不均，这会导致GF增强的性能无法有效发挥，复合材料整体力学性能不稳定。从图4c可以看出，添加适量的PP-g-MAH，由于GF、B215与PP-g-MAH具有化学键合作用，使PP-g-MAH能够在PP树脂分散更均匀，这与样品4#力学性能最佳相印证。图4PP、KH550、B215和复合材料的SEM照片Fig.4SEM images of PP， KH550， B215 and composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F4a1（a）PP、KH550和B21510.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F4a2（b）样品1#10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F4a3（c）样品4#2.6复合材料的TG分析图5为PP、PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的TG曲线。从图5可以看出，PP原料在418 ℃左右开始明显失重，当温度升至500 ℃，PP基本完全热分解。样品1#的耐热性能并未得到明显改善，从421 ℃开始出现明显失重，至500 ℃时，复合材料失重率达到69.7%（剩余部分为30%GF+0.2%抗氧剂B215），表明复合材料中的PP树脂基本完全热分解。随着PP-g-MAH的加入量的增加，样品2#~样品5#的耐热性能开始增加，当PP-g-MAH的加入量达到3%，样品4#从476 ℃开始出现热失重，至544 ℃时复合材料中的PP树脂失重完成，较PP耐热性能提高约58 ℃，耐热性能得到明显提升，耐热性能达到最佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.11.008.F005图5PP、PP/GF和PP/GF/PP-g-MAH复合材料的TG曲线Fig.5TG curves of PP， PP/GF and PP/GF/PP-g-MAH composites3结论（1）通过添加不同比例的PP-g-MAH制备一系列PP/GF/PP-g-MAH玻纤增强复合材料。随着PP-g-MAH添加量的增加，复合材料的拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率、冲击强度等力学性能均先增加后降低。当PP-g-MAH添加量3%，复合材料的力学性能提升最大，PP-g-MAH在PP树脂中发挥最佳作用。（2）PP-g-MAH添加量3%时，复合材料的收缩率达到最低值，最大限度地降低材料的收缩率，提升材料的成型稳定性。加入3% PP-g-MAH的复合材料，较原料PP相比，复合材料的耐热性能提高约58 ℃，耐热性能得到明显提升，且达到最佳。