不同粒徑硅藻土改性POM研究

史振葦，喬輝，丁筠，賴金瓊，陳侃，王樹(shù)建

不同粒徑硅藻土改性POM研究

史振葦，喬輝，丁筠，賴金瓊，陳侃，王樹(shù)建

（北京化工大學(xué)，北京 100029）

用硅烷偶聯(lián)劑處理的硅藻土改性聚甲醛（POM），研究不同含量及不同粒徑的硅藻土對(duì)POM拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能及耐熱性的影響，采用掃描電子顯微鏡觀察POM/硅藻土復(fù)合材料的微觀形貌。結(jié)果表明，不同粒徑的硅藻土在POM基體中分散性較好，且隨著硅藻土含量的增加，復(fù)合材料的彎曲性能和耐熱性顯著提高。

聚甲醛；硅藻土；改性

硅藻土是由水生植物硅藻的遺骸經(jīng)長(zhǎng)期的沉積礦化作用而形成的生物礦物材料。在我國(guó)其分布廣泛，價(jià)格低廉，硅藻土還具有獨(dú)特的有序排列的微孔結(jié)構(gòu)、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸附性強(qiáng)、活性好等優(yōu)點(diǎn)［1-5］。其在聚合物改性方面的應(yīng)用國(guó)外已有一定的研究基礎(chǔ)，而我國(guó)還處于起步階段［6-8］。

聚甲醛（POM）素有“賽鋼”的美譽(yù)，具有耐疲勞性好、力學(xué)強(qiáng)度高及耐磨自潤(rùn)滑性好等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車(chē)零部件、齒輪、機(jī)床、軸承等起骨架作用的產(chǎn)品［9-12］。但是隨著其廣泛應(yīng)用，對(duì)POM制品的力學(xué)性能特別是彎曲性能及耐熱性提出了更高要求，因此研究制備高性能POM改性材料成為領(lǐng)域熱點(diǎn)［13-17］。

筆者采用不同含量及不同粒徑的硅藻土對(duì)POM進(jìn)行改性，從力學(xué)性能、耐熱性研究并結(jié)合微觀形貌分析，評(píng)價(jià)其對(duì)POM基體的改性效果。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

POM：M90-44，日本寶理塑料株式會(huì)社；

硅藻土：粒徑分別為320目（45 μm）、1 250目（10 μm）、2 500目（5 μm），吉林遠(yuǎn)通礦業(yè)有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑：KH550，市售；

抗氧劑：1010，市售。

1.2主要儀器設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：MHS-20型，昆山美弧橡塑機(jī)械有限公司；

注塑機(jī)：Π1-90F2型，東華機(jī)械有限公司；

電子萬(wàn)能拉力機(jī)：CMT4204型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；

熱變形、維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀：XRW-300型，承德市金建檢測(cè)儀器有限公司；

熱重（TG）分析儀：Q500，美國(guó)TA Instruments公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：TM3030型，日本日立公司。

1.3試樣制備

POM/硅藻土復(fù)合材料的制備分為3組，每組使用不同粒徑的硅藻土，復(fù)合材料中硅藻土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取0 %，5 %，12 %，19 %，26 %，抗氧劑1010質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2 %。首先將硅藻土在80℃烘干約5 h，使用0.2%的硅烷偶聯(lián)劑在100℃下對(duì)硅藻土進(jìn)行干法處理，得到經(jīng)表面處理的硅藻土，POM在90℃烘干約5 h，將烘干后的POM、硅藻土與抗氧劑按照比例在高速攪拌機(jī)中混合均勻，得到預(yù)混料。然后將預(yù)混料加入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出造粒，粒料烘干后在注塑機(jī)中注塑成型，制得樣條。

1.4性能測(cè)試

拉伸性能按ISO527-2：2012在室溫下進(jìn)行測(cè)試；

沖擊性能按ISO179-1：2010在室溫下進(jìn)行測(cè)試；

彎曲性能按ISO178：2001在室溫下進(jìn)行測(cè)試；熱變形溫度按ISO75-2：2013進(jìn)行測(cè)試；

TG分析：氮?dú)夥諊郎厮俾?0℃/min，溫度范圍50～700℃；

SEM形態(tài)觀察：將POM/硅藻土試樣在液氮條件下淬斷后表面噴金，并在SEM上觀察。

2　結(jié)果與討論

2.1POM/硅藻土復(fù)合材料的力學(xué)性能

（1）拉伸性能。

圖1　不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

圖2 不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率

圖1、圖2為不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。從圖中可以看出，隨著硅藻土含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈下降趨勢(shì)。究其原因：一是硅藻土與POM基體的界面相容性可能還需要進(jìn)一步改善；二是硅藻土的形狀有針狀和圓盤(pán)狀的，復(fù)合材料在抵抗拉伸變形過(guò)程中，因局部受力不均勻會(huì)引起性能降低。此外，在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，硅藻土粒徑對(duì)拉伸性能沒(méi)有明顯影響。

（2）沖擊性能。

圖3示出不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。由圖3可以看出，硅藻土粒徑對(duì)沖擊性能的影響較小，2 500目硅藻土改性POM的沖擊強(qiáng)度略低一些。隨著硅藻土含量含量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)硅藻土含量大于19%時(shí)，不同粒徑改性的POM沖擊強(qiáng)度降低趨于平緩，說(shuō)明高含量硅藻土未引起沖擊強(qiáng)度顯著降低。

圖3　不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度

（3）彎曲性能。

圖4、圖5分別為不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量?？梢钥闯?，隨著硅藻土含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量總體呈上升趨勢(shì)，特別是彎曲彈性模量提高更顯著。320目硅藻土對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的改善效果最明顯，硅藻土含量為26%時(shí)，彎曲強(qiáng)度提高了約15%，彎曲彈性模量提高了約80%。彎曲性能的提高一方面是由于硅藻土屬于無(wú)機(jī)剛性粒子，它的添加能提高復(fù)合材料在外力作用下抵抗變形的能力，此外硅藻土獨(dú)特的圓盤(pán)及針狀粒子形態(tài)和天然納米微孔結(jié)構(gòu)對(duì)大粒徑硅藻土改性POM彎曲性能特別是彎曲彈性模量提高影響較大。

圖4　不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度

圖5　不同含量及粒徑硅藻土改性POM復(fù)合材料的彎曲彈性模量

2.2POM/硅藻土復(fù)合材料的耐熱性能

圖6為不同含量320目硅藻土改性POM復(fù)合材料的熱變形溫度?？梢钥闯?，加入硅藻土對(duì)復(fù)合材料的耐熱性改善效果顯著。在硅藻土加入量?jī)H為5%的情況下，復(fù)合材料的熱變形溫度提高了7.9℃，而當(dāng)硅藻土含量為26%時(shí)，熱變形溫度提高至95℃以上，提高了約24.2℃。圖7為不同含量320目硅藻土改性POM復(fù)合材料的TG曲線。由圖7也可以發(fā)現(xiàn)，加入硅藻土并沒(méi)有引起復(fù)合材料熱失重溫度拐點(diǎn)的降低。

圖6　不同含量320目硅藻土改性POM復(fù)合材料的熱變形溫度

圖7　不同含量320目硅藻土改性POM復(fù)合材料的TG曲線

2.3POM/硅藻土復(fù)合材料的SEM分析

不同目數(shù)硅藻土的SEM照片如圖8所示。從圖8可以看出，2 500目硅藻土天然形態(tài)的圓盤(pán)和針狀結(jié)構(gòu)破壞較多，所以其力學(xué)性能改性效果要小于320目和1 250目硅藻土。

圖8　不同目數(shù)硅藻土的SEM照片

因此筆者只比較了320目和1 250目硅藻土在5 %及26%含量時(shí)改性POM的SEM照片，見(jiàn)圖9。從圖9可以看出，不同粒徑及含量硅藻土改性POM的SEM照片沒(méi)有明顯差別，經(jīng)處理的硅藻土都較均勻分布在POM基體中，且基本被POM包覆，未出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象。結(jié)合圖8可以看出，硅藻土是一種具有多級(jí)微孔結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)剛性粒子，具有良好吸附性，其高吸附性和高剛性可以有效提高復(fù)合材料的剛性和耐熱性。

圖9　硅藻土改性POM的SEM照片

3　結(jié)論

（1）隨著硅藻土含量的增加，改性POM復(fù)合材料的彎曲性能得到較大提高，尤其對(duì)彎曲彈性模量改善明顯。

（2）硅藻土的加入也對(duì)耐熱性有顯著改善作用，在其含量為26 %時(shí)，復(fù)合材料的熱變形溫度最高可提高24℃以上。

（3）三種不同粒徑的硅藻土對(duì)改性POM復(fù)合材料的性能影響差別不大，總體而言320目硅藻土對(duì)綜合性能改善較好，在硅藻土含量為26%時(shí)，彎曲性能提高最大，且拉伸、沖擊性能降低不明顯。

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Modification Research of Polyformaldehyde by Diatomites with Different Particle Sizes

Shi Zhenwei， Qiao Hui， Ding Yun， Lai Jinqiong， Chen Kan， Wang Shujian
（Beijing University of Chemical Technology， Beijing 100029， China）

Diatomites treated with silane coupling agent were used to modify polyformaldehyde （POM） matrix. Combined with scanning electron microscope （SEM） analyzing the morphology，the effects of different content and size of diatomite on the tensile，flexural and heat-resistant properties of POM were studied. The results show that diatomites with different particle sizes have good dispersity in POM matrix，and the flexural，thermal resistance properties were improved significantly with increasing the content of diatomites.

POM；diatomite；modified

TQ314

A

1001-3539（2016）06-0046-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.010

聯(lián)系人：丁筠，博士，主要從事聚合物功能改性材料研究

2016-03-19