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            硅灰石在聚丙烯(pp)塑料改性方面的应用研究

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            摘 要:通过硅烷改性剂表面处理的针状硅灰石可提高硅灰石疏水亲有机性,改善硅灰石在聚丙烯树脂中的分散性。填充后的聚丙烯材料在拉伸强度、弯曲强度、弹性模量以及弯曲模量等方面的性能有所提高,而在韧性方面有略微降低。同时材料的耐温性得到较大提高。

            关键词:针状硅灰石 聚丙烯 热变形温度

                    硅灰石[CaSiO3或Ca3(Si3O9)]属于偏硅酸盐矿物,理论化学成分(质量分数)为48.3%CaO、51.7%Si02。硅灰石通常呈针状、放射状、纤维状集合体。在硅灰石的结晶结构中,SiO4四面体链和CaO6八面体柱沿b轴方向相连,CaO八面体柱和SiO骨架连接形成的复合单链成为硅灰石结晶构造的基本单元,由于它具有特殊晶体形态、高白度、良好的介电性能和较高的耐热性能等特性,因此硅灰石能够被广泛应用于橡胶、陶瓷、塑料、涂料和造纸等领域。

                    当前,随着塑料产业的蓬勃发展,塑料应用领域不断扩大。然而聚丙烯作为五大通用合成树脂中的一个重要品种,在国内外的发展均十分迅速。在全球塑料用五大合成树脂中,聚丙烯的产量占有1/4左右的份额,2006年世界五大通用合成树脂的总产能将达到1亿9千万吨,其中聚丙烯4878万吨,占总产能的25.6%。预计未来几年,塑料的应量还会得到逐年增加,所以随着塑料制品在工程上的应用日益广泛,人们对于塑料改性应用方面的研究不断地深入。

            实验

            实验原料

             

            针状硅灰石ATMF-10

            江西奥特科技有限公司

            PPJ340

            中石化扬子石化有限公司

            偶联剂SCA1113

            张家港国泰荣华

            实验设备

            TST-35A同向双螺杆挤出机

            南京瑞亚弗斯特

            XWW-20万能试验机

            承德金建检测仪器有限公司

            简支梁冲击试验机

            承德金建检测仪器有限公司

            悬臂梁冲击试验机

            承德金建检测仪器有限公司

            XRW-300热变形维卡测定仪

            承德金建检测仪器有限公司

            实验方法及过程

                    由于硅灰石属无机非金属材料,与有机高分子材料相容性较差,直接应用到高聚物当中时填充效果不明显甚至会使部分材料性能下降,所以必须对其进行表面改性处理提高其疏水亲有机性,使粉体能够在聚丙烯树脂中更好的均匀分散并与基体材料有很好的亲和性能。无机粉体表面处理通常选用的表面改性剂有:不饱和有机酸、高级脂肪酸及其盐类、偶联剂等。偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、锆酸酯类以及铝钛复合类,经长期试验研究筛选以硅烷类偶联剂实验效果较为理想。

            硅灰石表面改性处理

                    将称量好的硅灰石加入高速搅拌机中启动搅拌并加热升温,待温度达到80~100℃(不同改性剂活化温度不同)要求下加入表面改性剂进行改性,改性时间约为10min,可通过测定改性后的粉体吸油率、沉降值以及活化度等指标评判其改性效果,本文对此不做详细解释和说明。

            试样制备

                    按照不同实验配方要求将改性硅灰石粉、PP树脂加入双螺杆挤出机熔融造粒,挤出机工艺参数要求:主机转速300r/min;牵引速度150r/min;机头温度200℃;加热段1~9区的温度分别为170℃,180℃,190℃,200℃,210℃,210℃,210℃,200℃;机头温度200℃;物料190℃。将造粒好的粒料置于95℃鼓风干燥箱内干燥2h,然后用注塑机注塑成标准样条待检测。

            性能测试

                    拉伸性能检测按照GB/T1040-2006测试,拉伸速率为50mm/min;弯曲性能检测按照GB/T9341-2000测试,弯曲速率为2mm/min;热变形温度按照GB/T1634-2004测试。

            实验结果与讨论

            改性硅灰石添加量对PP复合材料性能影响

            表1 在PP塑料中添加不同比例硅灰石后性能检测结果

            试验编号

            硅灰石添加量,%

            冲击强度KJ/m2

            拉伸强度MPa

            弹性模量MPa

            弯曲强度MPa

            弯曲模量MPa

            1

            0

            11.14

            18.78

            1226.43

            21.78

            1096.18

            2

            10

            10.56

            19.54

            1553.55

            22.24

            1174.10

            3

            20

            9.78

            21.68

            1681.43

            25.21

            1497.29

            4

            30

            8.83

            24.06

            1975.49

            29.92

            2183.63

            5

            40

            8.72

            24.96

            2001.72

            28.76

            2204.56

                    由表1可以看出,随着树脂中的硅灰石含量的增加,复合材料的冲击韧性呈下降趋势,但下降幅度不大;拉伸强度、弯曲强度、弹性模量和弯曲模量随着含量的增加变大。硅灰石特殊针状纤维结构,使其在复合材料的刚性方面表现较为优越。复合材料中硅灰石含量不断增加的同时,粒子间的相互碰撞作用也会增加,碰撞的结果会使部分粒子折断破坏其针状结构,从而造成长径比的减小继而影响到硅灰石对复合材料的增强效果。

            硅灰石粒径对塑料改性的影响

                    不仅硅灰石添加量对复合材料性能产生影响,而且硅灰石的粒径也会对材料性能产生较大影响。由表2数据可以看出,不同粒径的硅灰石粉体对PP改性中的贡献有着明显不同:硅灰石粒度越大对材料的强度、刚性方面贡献比较明显,粒径越细、长径比较小时对材料的韧性贡献较好。但是粒径过大时会与基体树脂结合中存在微观分层现象使复合材料无法形成有机整体,不但不能提高其材料的力学性能,反而会造成制品内部缺陷,容易造成制品应力性破坏,所以应根据制品要求悬着合适粒径的硅灰石进行填充改性。

            硅灰石型号

            冲击强度KJ/m2

            拉伸强度MPa

            弹性模量MPa

            弯曲强度Mpa

            弯曲模量MPa

            ATMF-15

            6.36

            20.61

            2402.99

            35.58

            2015.91

            ATMF-10

            8.62

            23.22

            2131.77

            33.45

            1682.52

            ATMF-5

            10.12

            19.38

            1798.92

            29.49

            1831.37

            硅灰石表面改性效果对材料性能的影响

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                a改性填充                               b未改性填充

            图1冲击断面扫描电镜对比图

                    从图1电镜图片可清晰看到:改性针状硅灰石在PP复合材料中能够与基体树脂结合紧密如图(a),相反时未改性的硅灰石与基体树脂结合松散、空隙明显。无机填料填充高分子材料时形成复合材料的性能,除了与聚合物基体和填料固有性质外,其填料的表面特征对在复合材料中的性能有重要影响。如果填料的表面自由能、界面张力较大不利于在基体树脂中的分散,选用硅烷偶联剂SCA1113改性针状硅灰石粉可以使硅灰石表面自由能、界面张力会大幅下降,可明显提高其分散效果以及与基体树脂的结合力,有利于改善复合材料的性能。

            改性硅灰石填充PP对复合材料耐温性贡献

                    影响塑料制品使用的热性能主要为耐热温度和耐低温温度。耐热温度主要可用热变形温度、马丁耐热温度及维卡软化点表示,耐低温温度一般用脆化温度表示。本实验主要以热变形温度作为衡量塑料耐热性能高低的指标进行研究,以HJMF-1250改性硅灰石按不同比例添加PPJ340塑料制得复合材料并按标准要求测试其热变形温度如表3。 可见,针状硅灰石粉体在增强塑料的力学性能的同时,由于其本身优越耐温性可明显改善塑料的耐温性,粉体添加30%时热变形温度比纯树脂提高将近60%,这样就会明显拓宽塑料的应用领域和使用范围。

            表3  不同含量硅石灰下的复合材料测试变形温度

            硅灰石含量,%

            0

            10

            20

            30

            热变形温度,℃

            71.1

            91.2

            95.6

            102.9

             

            结 论

            (1)资源丰富的针状硅灰石被充分利用到聚丙烯及其树脂的填充改性上后,复合材料的多项指标大幅度提高,减少树脂用量,降低成本。

            (2)硅灰石表面改性的效果直接影响其在树脂中的填充效果。

            (3)根据实验要求选择合适的粒径及长径比的硅灰石才能达到理想效果,并非粒径越小长径比越大就能达到理想效果。

            (4)合适的添加比例才能体现出硅灰石针状纤维的特有性能。

            (5)针状硅灰石对提高PP塑料的耐热性有比较直观的帮助,而且对材料的加工性能不会产生太大影响。

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