改性硅灰石對(duì)PP復(fù)合材料性能的影響

楊樹竹

(山西省化工研究所，山西 太原，030021)

改性硅灰石對(duì)PP復(fù)合材料性能的影響

楊樹竹

(山西省化工研究所，山西 太原，030021)

用不同的表面改性劑對(duì)不同粒徑的硅灰石進(jìn)行改性處理，再按照不同比例填充到聚丙烯(PP)樹脂中制備成復(fù)合材料。研究了硅灰石的粒徑、添加量以及不同種類表面改性劑對(duì)復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：不同粒徑對(duì)復(fù)合材料拉伸、彎曲和沖擊性能影響不同，當(dāng)添加硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%以下時(shí)，復(fù)合材料性能增加；超過30%時(shí)，其性能呈下降趨勢(shì)，并且不同種類的表面改性劑對(duì)復(fù)合材料性能影響也有一定差別。

硅灰石 表面改性劑 聚丙烯 復(fù)合材料 力學(xué)性能

隨著國(guó)內(nèi)塑料工業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，塑料應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，作為五大通用合成樹脂之一的聚丙烯(PP)的產(chǎn)銷量也在逐年攀升[1]。雖然PP具有耐溫、耐腐蝕、密度小且易成型等優(yōu)點(diǎn)，但是PP材料存在沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度不高、剛性差等缺陷，這些力學(xué)性能的不足使其應(yīng)用范圍受到一定限制。因此，目前許多研究者對(duì)其進(jìn)行了改性處理，使其性能得到了一定改善，同時(shí)還賦予了該材料某些特定性能(如阻燃、抗靜電等)[2]。

下面主要利用針狀硅灰石礦物纖維的特殊結(jié)構(gòu)來改性PP，不僅可以改善材料的尺寸穩(wěn)定性，減少因熱塌陷造成的制品缺陷，還可以通過硅灰石填充PP來提高復(fù)合材料的拉伸、彎曲等性能，改善復(fù)合材料的熱變形溫度、減少?gòu)?fù)合材料的熱收縮率和翹曲變形等，同時(shí)還可以減少樹脂用量和降低成本。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器設(shè)備

針狀硅灰石粉，BA1250，BA2000，BA2500，粉體白度為90.3%，長(zhǎng)徑比為5∶1～10∶1，江西華杰泰礦纖科技有限公司；PP，EPC30R/H，中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司；硬脂酸，SA-1801,工業(yè)級(jí)，印尼；硅烷類偶聯(lián)劑，工業(yè)級(jí)，張家港國(guó)泰華榮化工新材料有限公司；鋁酸酯偶聯(lián)劑，重慶嘉世泰化工有限公司；鋁鈦復(fù)合偶聯(lián)劑，自制。

小型高速混合機(jī)，GH-10，北京英特塑料機(jī)械總廠；同向雙螺桿擠出機(jī)，南京廣達(dá)化工設(shè)備有限公司；熱變形溫度測(cè)定儀，XWW-20萬能試驗(yàn)機(jī)，簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，均為承德金建檢測(cè)儀器有限公司；注塑機(jī),WK-100，山西汾西機(jī)電有限公司。

1.2 粉體改性

改性劑以硬脂酸、硅烷類、鋁酸酯類和鋁鈦復(fù)合類為主。

將試驗(yàn)所需的硅灰石粉體加入高速混合機(jī)并啟動(dòng)電加熱升溫、攪拌，待溫度達(dá)到改性試驗(yàn)溫度時(shí)，將一定計(jì)量的改性劑加入混合機(jī)，反應(yīng)一段時(shí)間后，即可得到改性的針狀硅灰石。

改性效果好壞可以通過測(cè)定改性后的粉體沉降體積、吸油值以及活化度等指標(biāo)來評(píng)判。 沉降體積是在100 mL的量筒中加入10 g改性粉體，再加水至100 mL刻度處，上下振蕩3～5 min,靜置觀察沉降情況，沉降越少，粉體親有機(jī)改性效果越好。吸油值測(cè)定是稱取一定量的樣品放置在干凈玻璃片上，用裝有DBP(鄰苯二甲酸二丁酯)的酸式滴定管向樣品緩慢滴加油，并不斷攪拌直到樣品與油能粘成一團(tuán)，且沒有游離干燥樣時(shí)讀數(shù)，可通過滴加油的多少，計(jì)算樣品的吸油值[3]。

1.3 樣條制備

按照試驗(yàn)要求將改性處理的硅灰石礦物纖維與PP樹脂進(jìn)行預(yù)混，然后利用同向雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行造粒，最后用注塑設(shè)備注塑出標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣條。

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006 測(cè)試，并采用1A型試樣，拉伸速率為5 mm/min；彎曲性能按GB/T 9341—2000 測(cè)試，彎曲速率為2 mm/min；簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043.1—2008測(cè)試，懸臂梁沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843—2008測(cè)試； 熱變形溫度按GB/T 1634—2004 測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種類的改性劑對(duì)復(fù)合材料性能影響

硬脂酸、硅烷偶聯(lián)劑、鋁酸酯和鋁鈦復(fù)合類偶聯(lián)劑對(duì)同一粒徑規(guī)格的硅灰石進(jìn)行改性，并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的改性硅灰石與PP樹脂混合造粒，制備復(fù)合材料，注塑標(biāo)準(zhǔn)樣條待測(cè)，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，硬脂酸改性劑對(duì)復(fù)合材料沖擊性能貢獻(xiàn)比較大，對(duì)復(fù)合材料韌性影響較?。还柰轭惛男詣椥阅Ａ亢蛷澢Ａ刻岣弑容^多，所以對(duì)增強(qiáng)增剛效果比較好，缺點(diǎn)是沖擊性能下降較多；而鋁酸酯和鋁鈦復(fù)合類偶聯(lián)劑性能介于二者之間。綜合考慮，鋁鈦復(fù)合類偶聯(lián)劑在增強(qiáng)材料的同時(shí)，又能兼顧材料韌性不會(huì)下降太多。

2.2 硅灰石添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

將經(jīng)過改性處理的硅灰石按照一定比例添加到PP樹脂中，并按試驗(yàn)要求檢測(cè)。圖1是硅灰石對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度的影響，圖2是硅灰石對(duì)復(fù)合材料彈性模量和彎曲模量的影響。

從圖1和圖2可以看出：隨著硅灰石礦物纖維在復(fù)合材料中添加量的不斷增加，材料的的強(qiáng)度和模量也隨之增加。但當(dāng)硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30%后，隨著硅灰石用量增加，材料的性能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2.3 硅灰石長(zhǎng)徑比對(duì)復(fù)合材料性能影響

主要選用BA1250,BA2000和BA2500 3種規(guī)格的硅灰石，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%制備復(fù)合材料，并進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：硅灰石粒徑較大時(shí)，復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能比較突出，沖擊性能比較低；硅灰石粒徑越小，復(fù)合材料的沖擊性能就越好。但是，根據(jù)制品綜合性能考慮，長(zhǎng)徑比過大時(shí)，粉體在復(fù)合材料中分散困難，形成缺陷，同時(shí)粒徑過大還會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生磨損；硅灰石粒徑越小，粉體越容易團(tuán)聚，影響在樹脂中的分散效果，同樣會(huì)形成制品缺陷，而且越細(xì)的纖維狀硅灰石加工成本越高，因此在用硅灰石制備復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的長(zhǎng)徑比和粒徑。

2.4 硅灰石表面活性對(duì)復(fù)合材料性能影響

圖3是未經(jīng)表面改性的硅灰石填充復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，圖4是硬脂酸改性的硅灰石填充復(fù)合材料的SEM照片。

從圖3和圖4的硅灰石填充PP復(fù)合材料SEM照片可以看出：沒有經(jīng)過表面改性的硅灰石礦物纖維，在填充時(shí)與基體樹脂結(jié)合比較疏松，受力后硅灰石不能很好地消弱外力造成的破壞；硬脂酸改性的硅灰石填充時(shí)與基體樹脂結(jié)合緊密，斷面縫隙細(xì)小，更易消除外力破壞，空洞較少。所以經(jīng)過表面改性，可以增加硅灰石與基體樹脂的分子間作用力。

3 結(jié)論

a) 硅灰石礦物纖維在填充改性時(shí)，對(duì)提高PP復(fù)合材料的力學(xué)性能具有明顯的改善效果。

b) 硅灰石表面處理效果好壞，會(huì)對(duì)PP復(fù)合材料性能產(chǎn)生直接作用，應(yīng)根據(jù)樹脂類型以及產(chǎn)品對(duì)材料性能要求選擇適宜改性方式。

c) 不同粒徑的硅灰石對(duì)PP復(fù)合材料性能影響有一定差別：粒徑較大時(shí)，對(duì)材料強(qiáng)度和剛性幫助較大；粒徑較小時(shí)，對(duì)材料的沖擊韌性較好。

d) 硅灰石填充PP樹脂時(shí)可以改善材料的力學(xué)性能，同時(shí)可以減少樹脂的用量，降低成本。

[1] 楊明山，李林楷. 塑料改性工藝、配方與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2006:5.

[2] 白啟榮.改性超細(xì)硅灰石硅灰石材料在聚丙烯塑料中的應(yīng)用研究[J]. 國(guó)外塑料,2010，(11)：40.

[3] 王彩麗，鄭水林，王麗晶,等.硅灰石表面改性及其在聚丙烯中的應(yīng)用[J].中國(guó)粉體技術(shù), 2009,15(3)：21.

The Effect of Modified Wollastonite on the Performance of PP Composites

Yang Shuzhu

(Shanxi Institute of Chemical Engineering, Taiyuan，Shanxi, 030021)

The wollastonite mineral of different sizes was modified by different surface modifiers, and the composites were prepared by the modified wollastonite filled polypropylene resins in different proportions. The effects of the particle size, added amount of wollastonite, and different types of surface modifiers on the properties of the composites were studied. The results show that there are different effects of different particle sizes on the tensile, bending and impact performances of the composites. When the added mass ratio of the wollastonite is less than 30%,the performances of composites increase,and when the added mass ratio is more than 30%, the performances decrease. The effects of different types of surface modifiers on the performances of the composites are different.

wollastonite; surface modifiers; polypropylene; composite; mechanical properties

2014-04-02;修改稿收到日期:2014-11-10。

楊樹竹，女，1975年生，工程師，主要從事橡塑助劑的研發(fā)。E-mail:ysz5417@163.com。