包覆天然云母粉增韌PP復(fù)合材料的研究

陳秀宇+林謙+余美瓊+陳國(guó)奮+林淵智

摘 要：采用硬脂酸表面活性劑和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)天然云母進(jìn)行表面包覆改性后制備出PP/包覆天然云母復(fù)合材料，并對(duì)云母包覆影響因素和材料的增韌性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以硅烷偶聯(lián)劑改性云母制備的PP/云母復(fù)合材料的性能較好，增韌的最佳工藝條件為：云母用量為20%，硅烷偶聯(lián)劑用量1.2%（均以云母質(zhì)量計(jì)），云母改性時(shí)間30min。

關(guān)鍵詞：聚丙烯;云母粉;包覆;增韌

中圖分類(lèi)號(hào)： Q178.53 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1673-1069（2016）33-190-2

0 ?引言

聚丙烯（PP）的填充改性可在降低成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能的改善，擴(kuò)展聚丙烯的應(yīng)用范圍。近年來(lái)，層狀填料云母由于其獨(dú)特的平面增強(qiáng)效應(yīng)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注和青睞[1-2]。云母填充改性PP塑料正在向金屬材料及較昂貴的工程塑料挑戰(zhàn)，云母作為理想的增容、增強(qiáng)、多功能PP填料，得到人們的普遍關(guān)注[3]。云母與聚丙烯的極性差異較大，其分散效果和界面結(jié)合不夠好，往往導(dǎo)致所制

得的復(fù)合材料性能較差，所以要對(duì)云母表面進(jìn)行預(yù)處理并且對(duì)其表面進(jìn)行改性。目前普遍采用偶聯(lián)劑對(duì)云母進(jìn)行表面改性來(lái)降低云母表面極性，改善其與聚丙烯之間的親合力[4-5]。

本文采用不同改性劑對(duì)云母表面改性，用FTIR和活化指數(shù)兩種方法來(lái)表征和評(píng)價(jià)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)優(yōu)化改性工藝條件，以期制備出具有良好性能的優(yōu)質(zhì)云母粉填充PP制備復(fù)合材料。

1 ?實(shí)驗(yàn)試劑

云母粉，福州坤彩有限公司;硅烷偶聯(lián)劑（KH-560），南京聯(lián)硅化工有限公司;聚丙烯（PP）樹(shù)脂，中國(guó)石化海南煉油化工有限公司;無(wú)水乙醇、無(wú)水碳酸鈉、鹽酸、硬脂酸等均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2 ?實(shí)驗(yàn)儀器

SHJ-36型雙螺桿擠出造粒機(jī)：中國(guó)南京聚力化工機(jī)械有限公司;YCT160-4A型冷切粒機(jī)：泰州市華泰調(diào)速電機(jī)廠;MH-35T型塑料注塑成型機(jī)：東莞市銘輝塑膠機(jī)械有限公司;HMT500型高速混合機(jī)：蘇州科晟泰機(jī)械設(shè)備有限公司;PC180型塑料破碎機(jī)：中國(guó)南京聚力化工機(jī)械有限公司，Nicolet380型傅立葉紅外光譜儀：美國(guó)尼高力公司;XJ-50D型復(fù)合沖擊試驗(yàn)機(jī)：承德建德檢測(cè)儀器有限公司;KTZ400型熔融指數(shù)儀：蘇州科晟泰機(jī)械設(shè)備有限公司。

3 ?云母的表面改性

3.1 云母微粉的預(yù)處理

由于云母表面摻雜著許多的金屬雜質(zhì)，因此必須對(duì)其表面進(jìn)行預(yù)處理實(shí)驗(yàn)。處理方法：用10%的碳酸鈉溶液以1：10的固液比（g/mL）加至4000mL量杯中清洗20min后抽濾，抽濾后用5%的鹽酸溶液以1：10的固液比（g/mL）清洗20 min，抽濾，將處理后的云母在300℃烘箱烘干24h成微粉狀，研磨過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)篩備用。

3.2 硬脂酸對(duì)云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉，加入高速混合機(jī)中，用電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，同時(shí)進(jìn)行油浴加熱，當(dāng)粉體溫度升至90～100℃時(shí)加入一定量經(jīng)無(wú)水乙醉溶解的硬脂酸表面活性劑（硬脂酸：無(wú)水乙醇體積為1：2），保持溫度，再進(jìn)行一定時(shí)間的高速攪拌，從而獲得改性云母微粉。

3.3 硅烷偶聯(lián)劑對(duì)云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉加入高速捏合機(jī)中高速攪拌，同時(shí)進(jìn)行油浴加熱， 當(dāng)粉體溫度升至70～80℃時(shí)加入一定量經(jīng)稀釋后氨水， 繼續(xù)高速攪拌， 并加熱。當(dāng)粉體溫度升至120～125℃時(shí)加入一定量經(jīng)乙醇稀釋的硅烷偶聯(lián)劑，保持溫度，再進(jìn)行一定時(shí)間的高速攪拌， 從而獲得硅烷改性云母微粉。

4 ?表面改性的活化指數(shù)H

活化指數(shù)H=上浮物的質(zhì)量/（上浮物的質(zhì)量+下沉物的質(zhì)量）。

H值在0～1之間進(jìn)行變化，可反映出粉體表面活化程度的大小，即反映粉體改性?xún)?yōu)劣的情況。活化指數(shù)值越大，說(shuō)明粉體表面疏水性越強(qiáng)，改性效果越好[12]。

5 ?復(fù)合材料的制備

將干燥的改性云母微粉與二甲基硅油和PP樹(shù)脂根據(jù)不同的配方在高速混合機(jī)中混合8～10min，再用造粒機(jī)熔融共混勻速地?cái)D出拉條，經(jīng)冷卻后用冷切粒機(jī)進(jìn)行切粒，粒料經(jīng)過(guò)吹干干燥后用注射成型機(jī)注射成帶有V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)樣條，進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。

6 ?結(jié)果與討論

6.1 云母的紅外光譜分析

將云母原樣和改性后云母進(jìn)行紅外表征。白云母有3636cm-1的OH振動(dòng)峰，1200cm-1～900cm-1和800cm-1～600cm-1范圍內(nèi)的Si（Al）—O振動(dòng)、550cm-1～400cm-1范圍的Si（Al）的特征吸收峰。改性后3438cm-1有所增強(qiáng)，硅烷KH-560改性后粉體在云母在2921cm-1和2842cm-1左右的峰有所增強(qiáng)，從紅外光譜圖看，改性云母表面的偶聯(lián)劑，讓其表面的分散性得到很好的改善，從光譜圖上可以看出未發(fā)現(xiàn)有新化學(xué)鍵結(jié)合的峰，因此，改性后的云母主要以表面物理包覆的作用。

6.2 云母的改性

在云母微粉表面選擇不同種類(lèi)的改性劑進(jìn)行改性，以便探究云母微粉的改性效果。本實(shí)驗(yàn)選用了硬脂酸和硅烷偶聯(lián)劑來(lái)改性云母，分別對(duì)其用量和改性時(shí)間進(jìn)行比較，測(cè)出改性后的活化指數(shù)。

為確定硬脂酸改性云母微粉的最佳用量，對(duì)硬脂酸用量（以云母質(zhì)量計(jì)）做單因素實(shí)驗(yàn)，其它工藝條件不變。試驗(yàn)用100目云母，稱(chēng)取一定量的云母，攪拌改性時(shí)間60 min，加入用硬脂酸改性劑改性的云母測(cè)定的活化指數(shù)。

硬脂酸表面活性劑不斷的增加，活化指數(shù)明顯呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，硬脂酸表面活性劑的用量為1.0%～2.0%時(shí)上升趨勢(shì)最明顯，超過(guò)2.0%時(shí)趨于平緩，所以，從經(jīng)濟(jì)因素方面來(lái)看，選擇2.0%的硬脂酸為最佳用量。

利用以上單因素實(shí)驗(yàn)選擇了最佳硬脂酸用量之后，考慮硬脂酸對(duì)云母改性時(shí)間的影響，硬脂酸用量為2.0%，其余工藝條件與上述工藝條件相同，硬脂酸改性云母時(shí)間對(duì)活化指數(shù)的影響，從圖3中可知：活化指數(shù)隨著改性時(shí)間增加而增大，但當(dāng)時(shí)間超過(guò)60min之后，活化指數(shù)變化較小，從時(shí)間效益方面來(lái)看，選擇硬脂酸最優(yōu)改性時(shí)間為60min。

綜上所述，選擇硬脂酸表面活性劑的最佳改性用量為2.0%，選擇云母改性的最佳改性時(shí)間為60min。

7 ?結(jié)論

采用硬脂酸和硅烷兩種改性劑對(duì)云母進(jìn)行表面包覆改性研究，利用熔融共混法制備PP/云母復(fù)合材料，探討其最優(yōu)的增韌工藝條件，結(jié)果如下：

①?gòu)脑瓨釉颇讣案男栽颇傅募t外光譜圖可以看出，硅烷偶聯(lián)劑KH560改性云母微粉沒(méi)有新化學(xué)鍵出現(xiàn)，是以物理包覆作用為主。

②兩種改性劑分別對(duì)云母微粉的改性效果作比較，得出硅烷偶聯(lián)劑的改性效果要比硬脂酸較佳。

③云母用量為20%時(shí)復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度最高。當(dāng)云母用量在20%～25%時(shí)復(fù)合材料熔融指數(shù)效果最優(yōu)。

④包覆改性的云母增韌填充PP制備的復(fù)合材料的最佳工藝條件為：云母用量為20%，硅烷偶聯(lián)劑用量1.2%（以云母質(zhì)量計(jì)），云母改性時(shí)間30min。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ?楊春萍，伍玉嬌，劉昌貴.聚丙烯/云母復(fù)合材料改性研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2013，25（3）：57-59.

[2] Kaiz.H.S & Milewski.J.V. Handbook of Fillers and Reinforeemends for Piastics.New York.1978.

[3] 吳唯，錢(qián)琦，周高仁.PP/云母復(fù)合材料的增容效果及其界面結(jié)構(gòu)[J].塑料工業(yè)，2000，28（6）：13-18.

[4] 胡圣飛，彭少賢，郭文迅，等.PP/云母復(fù)合材料力學(xué)性能研究[J].塑料科技，2000（2）：13-18.

[5] 卜俊芬.白云母-硅灰石及POE增強(qiáng)增韌PP復(fù)合材料性能的研究[D].2008.11.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，GB/T1043.1—2008/ISO179：2000.代替GB/T 1043—1993.塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定[S].

[7] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 3628—2000.idt ISO 1133：1997.熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率和熔體體積流動(dòng)速率的測(cè)定[S].

[8] 董金虎.共混方法及云母含量對(duì)PP/云母復(fù)合材料性能的影響[J].中國(guó)塑料，2012，25（3）：76-77.