1、PP/nano-CaCO3（纳米碳酸钙-聚丙烯）复合材料的注射成型及力学性能实验一 、 实验目的1 了解纳米 CaCO3对 PP的增韧效果、原理。2 熟悉 PP复合材料的注射成型制备过程。3 了解复合材料的力学性能测试。 4 了解电镜测样原理和具体步骤。二 、实验原理 1、纳米 CaCO3对 PP的增韧效果原理聚丙烯(PP)是一种综合性能较优异的热塑性塑料，广泛应用于医疗器具、汽车零部件、家庭用品、办公用品、建筑材料、化工管道以及大量的运输和包装材料等方面，制品具有耐热好、化学稳定性高和成型性好等优点。但同时 PP 也存在冲击韧性低，低温易脆裂，耐候性差强度、模量、硬度低，成型收缩大，尺寸稳定
2、性差，制件易变形等缺点。这些缺点大大限制了 PP 的应用，并且给实际生产带来了许多麻烦，因此，对 PP 进行改性研究以拓宽其应用领域成了学者们研究的热点。纳米碳酸钙（nano-CaCO 3）填充 PP 是一种具有广泛应用前景的复合材料，nano-CaCO 3原料来源丰富且价廉易成型加工，制品的耐热性、硬度、刚性及尺寸稳定性均优于 PP 塑料所以引起了国内外众多学者的广泛关注。本实验通过熔融共混的方法将 nano-CaCO3 填充到PP 中，研究了 nano-CaCO3 用量对 PP 力学性能的影响及其在 PP 中的分散状况2、 PP复合材料的注射成型制备过程合模与开模。合模是动模前移，快速闭合
3、。在与定模将要接触时，依靠合模系统的自动切换成低压，提供低的合模速度，低的合模压力，最后切换成高压将模具合紧。开模是注射完毕后，动模在液压油缸的作用下首先开始低速后撤，而后快速后撤到最大开模位置的动作过程。注塑阶段。模具闭合后，注塑机机身前移使喷嘴与模具贴合。油压推动与油缸活塞杆连接的螺杆前进，将螺杆头部前面已塑化均匀的物料以规定的压力和速度注射入模腔，直到熔体充满模腔为止。保压阶段。熔体充模完全后，螺杆施加一定的压力，保持一定的时间，是为了解决模腔内熔体因冷却收缩造成制品缺料时，能及时补塑，使制品饱满。冷却阶段。保压时间到达后，模腔内复合材料熔体通过冷却系统调节冷却到玻璃化温度或热变形温度以
4、下，使复合材料制品定型的过程叫冷却。这期间需要控制冷却的温度和时间。原料预塑化。制品冷却时，螺杆转动并后退，同时螺杆将树脂向前输送、塑化，并且将塑化好的树脂输送到螺杆的前部并计量、贮存，为下次注射做准备，此为复合材料的预塑化3、PP 复合材料的力学性能测试复合材料的拉伸性能是复合材料力学性能中最重要、最基本的性能之一。几乎所有的复合材料都要考核拉伸性能的各项指标，这些指标的高低很大程度地决定该种复合材料的使用场合。拉伸性能的好坏，可以通过拉伸试验进行检验。如拉伸强度、拉伸断裂应力、拉伸屈服应力、偏置屈服应力、拉伸弹性模量、断裂伸长率等。从这些测试值的高低，可对复合材料的拉伸性能作出评价。拉伸试
5、验测出的应力、应变对应值，可绘制应力-应变曲线。从曲线上可得到材料的各项拉伸性能指标值。曲线下放所包括的面积代表材料的拉伸破坏能。它与材料的强度和韧性有关。强而韧的材料，拉伸破坏能大，使用性能也佳。拉伸试验可为质量控制，按技术要求验收或拒收产品。研究、开发与工程设计及其他目的提供数据。所以说，拉伸性能测试是非常重要的一向试验。4、扫描电子显微镜的工作原理 扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。试样为块状或粉末颗 粒，成像信号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子。其中二次电子是最主要 的成像信号。由电子枪发射的能量为 5 35keV 的电子，以其交 叉斑作为电子源，经二级聚光镜及物镜的缩
6、小形成具有一定能量、一定束流强度 和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺 序作栅网式扫描。聚焦电子束与试样相互作用，产生二次电子发射（以及其它物 理信号） ，二次电子发射量随试样表面形貌而变化。二次电子信号被探测器收集 转换成电讯号，经视频放大后输入到显像管栅极，调制与入射电子束同步扫描的 显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。扫描电镜的主要结构： 1.电子光学系统：电子枪；聚光镜（第一、第二聚光镜和物镜） ；物镜光阑。 2.扫描系统：扫描信号发生器；扫描放大控制器；扫描偏转线圈。 3.信号探测放大系统：探测二次电子、背散射电子等电子信号。 4.图象显示
7、和记录系统：早期 SEM采用显象管、照相机等。数字式 SEM 采用电脑系统进行图象显示和记录管理。 5.真空系统：真空度高于 10 -4 Torr 。常用：机械真空泵、扩散泵、涡轮分子泵 6.电源系统：高压发生装置、高压油箱。三、实验设备3.1 双螺杆注射机 纳米 CaCO3 PP 粒料 偶联剂 盆（供 CaCO3 与 PP 搅拌用） 电子天平 烧杯 3.2 电子万能实验机及相应设备3.3 扫描电子显微镜及辅助设备 电子枪 镀膜材料四、实验内容1 PP复合材料的注射成型制备1.1 具体步骤（1）详细观察、了解注塑机的结构，工作原理，安全操作等。（2）了解 PP的规格及成型工艺特点，拟定各项成型
8、工艺条件，对原料进行预热干燥备用。先使硅烷偶联剂与纳米碳酸钙混合，搅拌至水泥装，加入称量好的 PP树脂手动搅拌至均匀，加料，注意，加料不要太多，以免堵塞。探究不同碳酸钙下的 PP强度。（3）安装模具并进行试模。闭模及低压闭模。由行程开关切换实现慢速快速低压慢速充压的闭模过程。上述操作程序重复几次，观察注射取得的样品的情况，调整工作正常。（4）半自动。将选择开关转至“半自动”位置，关好安全门，则各种动作会按工艺程序自动进行。即依次完成闭模、稳压、注座前进、注射、保压、预塑（螺杆转动并后退） 、注座后退、冷却、启模和顶出。开安全门，取出制品。（5）不论采用哪一种操作方式，主电动机的启动、停止及电子
9、温度控制通电的按钮主令开关均须手动操作才能进行。（6）除点动外，不论何种操作方式，均设有冷螺杆保护作用。在加热温度没有达到工艺要求的温度之前，即电子温度控制仪所调整的温度，螺杆不能转动，防止机件内冷料启动，造成机筒或螺杆的损坏。但为了空车运行，自动循环时，可将温控仪的温度指示调到零位。（7）在行驶操作时，须把限位开关及时间继电器调整到相应的位置上1.2 实验结果实验最后得含不同含量的纳米 CaCO3 的 PP 复合材料，以供下一实验使用2 复合材料的力学性能测试2.1具体步骤（1）在试样中间平行部分坐标线，示明标距 Go。（2）游标卡尺、千分尺测量标线间试样的厚度和宽度，每个试样测量 3点，取
10、算术平均值。（3）试验速度应根据受试材料和，试样类型进行选择。（4）夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上、下夹具中心连线重合，且松紧要适宜。防止试样滑脱或断在夹具内。（5）根据材料强度的高低选用不同吨位的试验机，使示值在表盘满刻度的 l0%90% 范围内，示值误差应在士 1之内。并及时进行校准。（6）试样断裂在中间平行部分之外时，此试验作废，应另取试样补做。（7）记录实验数据。2.2实验结果表 1.1碳酸钙含量 0%拉伸强度 M/ MPa断裂拉伸应变 B/拉伸强度拉伸应变 M/拉伸屈服应力 y /MPa拉伸弹性模量 E t/MPa第 1 根 20.55 1000.58 1031.68 20.04
11、184.83第 2 根 18.28 1326.19 1323.89 18.03 407.79第 3 根 19.33 1244.35 1227.86 19.43 200.34平均值 19.38 1190.37 1194.48 19.17 264.32表 1.2碳酸钙含量 5%拉伸强度 M/ MPa断裂拉伸应变 B/拉伸强度拉伸应变 M/拉伸屈服应力 y /MPa拉伸弹性模量 E t/MPa第 1 根 20.38 1423.68 1428.33 21.67 198.98第 2 根 23.07 1103.74 1128.96 20.6 185.75第 3 根 22.45 1201.54 1227.8
12、6 19.33 200.34平均值 21.97 1242.99 1261.72 20.53 195.23表 1.3碳酸钙含量 10%拉伸强度 M/ MPa断裂拉伸应变 B/拉伸强度拉伸应变 M/拉伸屈服应力 y /MPa拉伸弹性模量 E t/MPa第 1 根 21.99 1432.93 1432.93 20.28 142.73第 2 根 22.03 1058.65 1029.24 19.49 252.83第 3 根 22.33 1244.35 1227.86 19.43 242.34平均值 22.12 1245.31 1230.01 19.73 212.63表 1.4碳酸钙含量 30%拉伸强度
13、 M/ MPa断裂拉伸应变 B/拉伸强度拉伸应变 M/拉伸屈服应力 y /MPa拉伸弹性模量 E t/MPa第 1 根 17.52 1269.58 1265.45 14.41 227.72第 2 根 18.4 1129.7 1110.81 14.4 221.83第 3 根 16.65 1155.8 1128.7 14.58 219.96平均值 17.52 1185.03 1168.32 14.46 223.172.3 实验结论材料的拉伸强度、断裂拉伸应变、拉伸强度拉伸应变、拉伸屈服应力、拉伸弹性模量都随纳米 CaCO3 的增加先增加，而后减小，在四中试样中纳米 CaCO3 的含量在 5%的时候
14、最大。而且在纳米 CaCO3 等于 30%时各种性能减弱。3 电镜测样原理和具体步骤3.1具体步骤（1 ）试样制备 对试样的要求：试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定，含有水分的试样应先烘干除去水分，或使用临界点干燥设备进行处理。表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵 蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过大，样品座尺寸
15、各仪器不均相同，一般小的样品座为 3 5mm，大的样品座为30 50mm，以分别用来放置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一般在5 10mm 左右。 扫描电镜的块状试样制备是比较简便的。对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。以避免电荷积累，影响图象质量。并可防止试样的热损伤。 粉末试样的制备：先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜，即可上电镜观察。 镀膜
16、：镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，另一种是离子溅射镀膜。离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极间形成辉光放电，在辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射，如果阴极表面为用来镀膜的材料（靶材） ，需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上，则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在试样上，形成一定厚度的镀膜层。 离子溅射时常用的气体为惰性气体氩，要求不高时，也可以用空气，气压约为 5 X 10 -2 Torr 。离子溅射镀膜与真空镀膜相比，其主要优点是：（ 1
17、 ）装置结构简单，使用方便，溅射一次只需几分钟，而真空镀膜则要半个小时以上。 （ 2 ）消耗贵金属少，每次仅约几毫克。 （ 3 ）对同一种镀膜材料，离子溅射镀膜质量好，能形成颗粒更细、更致密、更均匀、附着力更强的膜。（2 ）电镜观察试样1. 打开样品室，装样，关闭样品室，抽真空；2. 将抽真空后的样品放进载物台，调节载物台，找到所放置的样品；3. 调节对比度和亮度，使样品在显示屏上显示出来； 4. 双击自己感兴趣的部位，使其移动至显示屏中央； 5. 调整放大倍数并调焦；6. 慢速扫描，照相，保存。3.2实验结果五 实验结果通过对纳米 CaCO3增韧的 PP复合材料的力学测试、电镜扫描可得1、Nano-CaCO 3的用量较小时，PP/nano-CaCO 3复合材料呈现出较高的冲击强度和拉伸强度；但当其用量较大时，会显著降低复合材料的冲击强度和拉伸强度。2、适量的 Nano-CaCO3的加入可以显著提高 PP的各种性能，随着其用量的增加，nano-CaCO3在 PP基体中的分散性逐渐变差。
