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摘要：本论文采用经钛酸酯偶联剂处理的无机填料（纳米CaCO3、工业沉淀CaCO3和高岭土）对聚丙烯（PP）进行填充改性，考察了填料种类和填充量等因素对复合材料力学性能、热性能的影响。研究结果表明纳米CaCO3/PP在冲击强度和断裂伸长率改性方面效果明显优于其他两种填料，填充7.5份时冲击强度达到最大，是纯PP的1.81倍，填充12.5份时断裂伸长率达到最大，是纯PP的1.08倍；而在拉伸强度改性方面，工业沉淀CaCO3/PP复合材料和高岭土/PP复合材料都比纯聚丙烯略有提高，而纳米CaCO3/PP复合材料则小幅下降；在热性能方面，工业沉淀CaCO3对聚丙烯的耐热改性效果最好，冲击强度也有较大改善，但效果不如纳米CaCO3优越。
关键词：聚丙烯，填充改性，工业沉淀碳酸钙，纳米碳酸钙，高岭土
目 录
1 前言 1
1.1 课题背景 1
1.2 聚丙烯 1
1.2.1 聚丙烯的分类 2
1.2.2 聚丙烯的性能 2
1.2.3 聚丙烯的加工工艺 4
1.3 填充剂 4
1.3.1 填充剂的概述 4
1.3.2 填充剂的尺寸 5
1.3.3 填充剂的分类 5
1.3.4 填充剂对填充体系性能的影响 7
1.4 聚丙烯的改性方法 9
1.4.1 改性方法的概述 9
1.4.2 聚丙烯的填充改性 10
1.5 本课题的研究意义和研究内容 12
2 实验部分 13
2.1 主要实验原料及试剂 13
2.2 实验设备和仪器 13
2.3 样品的制备 14
2.3.1 配比的确定 14
2.3.2 实验步骤 15
2.4 性能测试 16
2.4.1 冲击性能测试 16
2.4.2 拉伸性能测试 16
2.4.3 维卡软化点温度 16
3 结果与讨论 18
3.1 性能测试结果汇总 18
3.2 聚丙烯/无机填料复合材料冲击强度的分析 19
3.2.1 工业沉淀CaCO3/PP复合材料冲击强度的分析 19
3.2.2 纳米CaCO3/PP复合材料冲击强度的分析 20
3.2.3 高岭土/PP复合材料冲击强度的分析 21
3.3 聚丙烯/无机填料复合材料拉伸强度和断裂伸长率的分析 22
3.3.1 工业沉淀CaCO3/PP复合材料拉伸强度和断裂伸长率的分析 22
3.3.2 纳米CaCO3/PP复合材料拉伸强度和断裂伸长率的分析 23
3.3.3 高岭土/PP复合材料拉伸强度和断裂伸长率的分析 25
3.4 聚丙烯/无机填料复合材料维卡软化点的分析 26
4 结论 29
参考文献 30
致谢 32
填充剂对填充体系性能的影响
本课题主要研究的是填料对聚丙烯力学性能的影响，所以主要介绍填料对改性后聚丙烯的冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率、维卡软化点温度的影响。
（1）冲击强度的影响因素
冲击强度是塑料材料的一项重要性能的指标，它代表了塑料韧性的强弱。对于塑料冲击强度的影响因素有很多，情况很复杂。从填料方面来看，不同形状的填料就算填充改性同种塑料，所得到的冲击强度也会存在着比较大的差异[17]。
填料对塑料冲击强度的影响分别有：
①填料的分散性
填料自身会发生团聚现象，粒径越小越易团聚。一旦填料团聚在一起，就会在塑料中形成应力集中点，因此塑料的强度和韧度都随之下降[18,19]。反之，如果填料均匀分散在塑料中，就能随着塑料一起移动，从而起到分担改性塑料的一部分载荷，故而能改善其冲击强度。
②界面的状态
界面的黏结强度、界面的柔韧性层等，都影响着改性塑料的冲击强度。填料和塑料之间的粘结性越强，填料和塑料之间结合得就越牢固，改性塑料的冲击强度也就越高，反之亦然。现在无机填料基本是刚性颗粒，在受力时不会发生变形，不能吸收冲击带来的冲击能或终止裂纹。因此，刚性填料一般会增加塑料的脆性，在增韧改善上效果不明显[20]。如果填料是橡胶或热塑性弹性体，则往往能获得抗冲击性能良好的改性塑料。
③填料的形状与大小
填料的形状有很多，如圆球状、粒状、薄片状、纤维状、块状和短柱形等。一般来说纤维状、薄片状填料对塑料的机械强度有利，但对成型加工性能不利；圆球状填料则提高成型加工性能，降低塑料的机械强度。小粒径的填料相对于大粒径的填料其表面缺陷少，非配对原子多，与塑料结合的可能性大[21]。所以粒径越小，其填充效果就越好。
（2）拉伸强度和断裂伸长率的影响因素
一般来讲，无机刚性粒子填充改性塑料的话，拉伸强度和断裂伸长率与纯塑料相比要低。在纯料下拉伸时，改性塑料内各取向单元（链段、高分子链、微晶等）都是充分取向后才断裂的，这样断裂伸长率会很大，而且断裂强度也会很高。若添加了填料后，影响了某些单元的取向，而且填料是刚性粒子不发生形变，易发生脱黏，使受力面积减小，导致断裂强度和断裂伸长率下降；另一方面会产生微观应力集中，引发裂纹，进而产生更大的应力集中效应，使断裂强度和断裂伸长率都降低。从填料方面来考虑塑料拉伸强度和断裂伸长率的影响因素有以下几点：
①界面的影响
填料与塑料的界面粘合得好，则在拉伸应力作用下，填料颗粒会与塑料一起移动变形，承受外界负荷的面积增加，从而提高改性塑料的拉伸强度和断裂伸长率[22]。反之亦然。
②粒径大小
填料粒径的大小对改性塑料的拉伸强度和断裂伸长率有很重要的影响。粒径的尺寸越小[23]，颗粒的比表面积越大，则填料的补强作用就越好。而且颗粒尺寸大，则颗粒周围产生应力集中效应，承受应力集中的改性塑料的体积就大，产生裂纹的可能性较大。但也不是颗粒尺寸越小越小。因为颗粒太小就不能起到承受部分外力、终止裂纹和阻挡裂纹扩散的作用。
