纳米Si_3N_4_PP复合材料的力学性能研究

纳米Si3N4/PP复合材料的力学性能研究郝文涛杨文刘云翔胡嘉维(合肥工业大学化工学院,合肥,230009)摘要研究了纳米氮化硅(Si3N4)粒子对其填充的聚丙烯(PP)力学性能的影响,结果发现纳米Si3N4/PP复合材料的力学性能表现出了许多与常规纳米粒子改性PP的不同之处。复合材料的拉伸强度随纳米Si3N4粒子含量增加而基本呈直线上升趋势,而冲击强度变化不大,纳米Si3N4粒子对PP并无明显增韧效果;少量(5%)纳米Si3N4粒子便能显著提高复合材料弯曲强度。关键词氮化硅聚丙烯力学性能复合材料纳米粒子StudyonMechanicalPropertiesofNano-Si3N4/PPCompositesHaoWen-taoYangWenLiuYun-xiangHuJia-wei(CollegeofChemicalEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei,230009)Abstract:Theinfluenceofnano-sizedsiliconnitride(Si3N4)particlesonthemechanicalpropertiesofpolypropylenewasinvestigated.Itwasfoundthatthemechanicalpropertiesofnano-Si3N4/PPcompositesweremuchdifferentfromthatofPPmodifiedbyordinarilyusednanoparticles.Thetensilestrengthofthecompos-iteswentupalmostlinearlyasthecontentofSi3N4increased;whereastheimpactstrengthdidnotchangedmuch,noremarkabletougheningeffectexhibited;thoughthecontentofnanoSi3N4wasaslowas5wt%,theflexuralstrengthofthecompositeswasgreatlyimproved.Keywords:siliconnitride;polypropylene;mechanicalproperty;composite;nano-particle收稿日期:2007-09-03安徽省教育厅青年教师资助项目(编号2006jg1004)无机纳米粒子改性聚丙烯(PP)的力学性能研究已经开展了很长时间,比较典型的是对纳米碳酸钙(CaCO3)、纳米二氧化硅(SiO2)和滑石粉等改性PP的力学性能进行的研究。通常,纳米碳酸钙粒子能够在一定程度上提高PP的冲击韧性。任显诚等[1]研究发现,纳米CaCO3可以使PP的冲击强度提高3~4倍,在用量仅为0.5%(质量分数,下同)时,材料就由脆性材料转变为韧性材料;陈兴明等[2]人的研究结果表明,经适当处理的纳米SiO2粒子能均匀地分散在PP中,对PP的力学性能有显著的改善作用:纳米SiO2在用量为2%时可以使PP的缺口冲击强度提高1倍,同时拉伸强度也有很大提高。纳米氮化硅(Si3N4)是一种重要的陶瓷材料,具有很高的化学稳定性、耐高温性能、良好的机械性能及优异的介电性能,在许多领域有着广泛的应用。刘学建等[3]制备了可用于微波吸收领域的碳纳米管/Si3N4陶瓷基复合材料;周银生[4]研究了氮化硅陶瓷自组合摩擦件的磨合性能,认为有可能作为人工髋关节材料而获得应用。但是作为一种纳米材料,Si3N4与高分子材料结合方面的研究与应用却极少。仅有秦瑞平等[5]研究了纳米Si3N4在提高聚苯乙烯(PS)板耐磨性方面的应用可能性;而何洪等[6]制备了Si3N4/PS复合电子基板材料并考察了其导热性能和介电性能。本文研究了纳米Si3N4/PP复合材料的力学性能,发现其力学性能与文献中一般纳米粒子/聚丙烯复合材料的力学性能有很大不同。塑料助剂2008年第1期(总第67期)451实验部分1.1实验原料纳米氮化硅,平均粒径<100nm,合肥开尔纳米材料有限公司;聚丙烯,PPH-XD-075,安庆石化总厂;硅烷偶联剂,KH-560,南京曙光化工总厂。1.2实验设备与仪器双螺杆挤出机,SJSH-35型,南京橡塑机械厂有限公司;注射成型机,HTL90-F5B型,宁波海太集团股份有限公司;拉伸与弯曲实验机,CMT5000型,深圳市新三思材料检测有限公司;简支梁冲击试验机,XCJ-500型,河北承德试验机厂;场发射扫描电子显微镜,JSM-6700F型,日本电子公司。1.3实验过程首先将纳米Si3N4粒子与PP混合挤出制成20%(质量分数)含量的母粒;然后将母粒与PP混合挤出制成纳米粒子含量为1%~5%的不同