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      硅灰石在聚丙烯(pp)塑料改性方面的應用研究

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      摘 要:通過硅烷改性劑表面處理的針狀硅灰石可提高硅灰石疏水親有機性,改善硅灰石在聚丙烯樹脂中的分散性。填充后的聚丙烯材料在拉伸強度、彎曲強度、彈性模量以及彎曲模量等方面的性能有所提高,而在韌性方面有略微降低。同時材料的耐溫性得到較大提高。

      關鍵詞:針狀硅灰石 聚丙烯 熱變形溫度

              硅灰石[CaSiO3或Ca3(Si3O9)]屬于偏硅酸鹽礦物,理論化學成分(質量分數)為48.3%CaO、51.7%Si02。硅灰石通常呈針狀、放射狀、纖維狀集合體。在硅灰石的結晶結構中,SiO4四面體鏈和CaO6八面體柱沿b軸方向相連,CaO八面體柱和SiO骨架連接形成的復合單鏈成為硅灰石結晶構造的基本單元,由于它具有特殊晶體形態、高白度、良好的介電性能和較高的耐熱性能等特性,因此硅灰石能夠被廣泛應用于橡膠、陶瓷、塑料、涂料和造紙等領域。

              當前,隨著塑料產業的蓬勃發展,塑料應用領域不斷擴大。然而聚丙烯作為五大通用合成樹脂中的一個重要品種,在國內外的發展均十分迅速。在全球塑料用五大合成樹脂中,聚丙烯的產量占有1/4左右的份額,2006年世界五大通用合成樹脂的總產能將達到1億9千萬噸,其中聚丙烯4878萬噸,占總產能的25.6%。預計未來幾年,塑料的應量還會得到逐年增加,所以隨著塑料制品在工程上的應用日益廣泛,人們對于塑料改性應用方面的研究不斷地深入。

      實驗

      實驗原料

       

      針狀硅灰石ATMF-10

      江西奧特科技有限公司

      PPJ340

      中石化揚子石化有限公司

      偶聯劑SCA1113

      張家港國泰榮華

      實驗設備

      TST-35A同向雙螺桿擠出機

      南京瑞亞弗斯特

      XWW-20萬能試驗機

      承德金建檢測儀器有限公司

      簡支梁沖擊試驗機

      承德金建檢測儀器有限公司

      懸臂梁沖擊試驗機

      承德金建檢測儀器有限公司

      XRW-300熱變形維卡測定儀

      承德金建檢測儀器有限公司

      實驗方法及過程

              由于硅灰石屬無機非金屬材料,與有機高分子材料相容性較差,直接應用到高聚物當中時填充效果不明顯甚至會使部分材料性能下降,所以必須對其進行表面改性處理提高其疏水親有機性,使粉體能夠在聚丙烯樹脂中更好的均勻分散并與基體材料有很好的親和性能。無機粉體表面處理通常選用的表面改性劑有:不飽和有機酸、高級脂肪酸及其鹽類、偶聯劑等。偶聯劑包括硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、鋯酸酯類以及鋁鈦復合類,經長期試驗研究篩選以硅烷類偶聯劑實驗效果較為理想。

      硅灰石表面改性處理

              將稱量好的硅灰石加入高速攪拌機中啟動攪拌并加熱升溫,待溫度達到80~100℃(不同改性劑活化溫度不同)要求下加入表面改性劑進行改性,改性時間約為10min,可通過測定改性后的粉體吸油率、沉降值以及活化度等指標評判其改性效果,本文對此不做詳細解釋和說明。

      試樣制備

              按照不同實驗配方要求將改性硅灰石粉、PP樹脂加入雙螺桿擠出機熔融造粒,擠出機工藝參數要求:主機轉速300r/min;牽引速度150r/min;機頭溫度200℃;加熱段1~9區的溫度分別為170℃,180℃,190℃,200℃,210℃,210℃,210℃,200℃;機頭溫度200℃;物料190℃。將造粒好的粒料置于95℃鼓風干燥箱內干燥2h,然后用注塑機注塑成標準樣條待檢測。

      性能測試

              拉伸性能檢測按照GB/T1040-2006測試,拉伸速率為50mm/min;彎曲性能檢測按照GB/T9341-2000測試,彎曲速率為2mm/min;熱變形溫度按照GB/T1634-2004測試。

      實驗結果與討論

      改性硅灰石添加量對PP復合材料性能影響

      表1 在PP塑料中添加不同比例硅灰石后性能檢測結果

      試驗編號

      硅灰石添加量,%

      沖擊強度KJ/m2

      拉伸強度MPa

      彈性模量MPa

      彎曲強度MPa

      彎曲模量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,隨著樹脂中的硅灰石含量的增加,復合材料的沖擊韌性呈下降趨勢,但下降幅度不大;拉伸強度、彎曲強度、彈性模量和彎曲模量隨著含量的增加變大。硅灰石特殊針狀纖維結構,使其在復合材料的剛性方面表現較為優越。復合材料中硅灰石含量不斷增加的同時,粒子間的相互碰撞作用也會增加,碰撞的結果會使部分粒子折斷破壞其針狀結構,從而造成長徑比的減小繼而影響到硅灰石對復合材料的增強效果。

      硅灰石粒徑對塑料改性的影響

              不僅硅灰石添加量對復合材料性能產生影響,而且硅灰石的粒徑也會對材料性能產生較大影響。由表2數據可以看出,不同粒徑的硅灰石粉體對PP改性中的貢獻有著明顯不同:硅灰石粒度越大對材料的強度、剛性方面貢獻比較明顯,粒徑越細、長徑比較小時對材料的韌性貢獻較好。但是粒徑過大時會與基體樹脂結合中存在微觀分層現象使復合材料無法形成有機整體,不但不能提高其材料的力學性能,反而會造成制品內部缺陷,容易造成制品應力性破壞,所以應根據制品要求懸著合適粒徑的硅灰石進行填充改性。

      硅灰石型號

      沖擊強度KJ/m2

      拉伸強度MPa

      彈性模量MPa

      彎曲強度Mpa

      彎曲模量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對材料性能的影響

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          a改性填充                               b未改性填充

      圖1沖擊斷面掃描電鏡對比圖

              從圖1電鏡圖片可清晰看到:改性針狀硅灰石在PP復合材料中能夠與基體樹脂結合緊密如圖(a),相反時未改性的硅灰石與基體樹脂結合松散、空隙明顯。無機填料填充高分子材料時形成復合材料的性能,除了與聚合物基體和填料固有性質外,其填料的表面特征對在復合材料中的性能有重要影響。如果填料的表面自由能、界面張力較大不利于在基體樹脂中的分散,選用硅烷偶聯劑SCA1113改性針狀硅灰石粉可以使硅灰石表面自由能、界面張力會大幅下降,可明顯提高其分散效果以及與基體樹脂的結合力,有利于改善復合材料的性能。

      改性硅灰石填充PP對復合材料耐溫性貢獻

              影響塑料制品使用的熱性能主要為耐熱溫度和耐低溫溫度。耐熱溫度主要可用熱變形溫度、馬丁耐熱溫度及維卡軟化點表示,耐低溫溫度一般用脆化溫度表示。本實驗主要以熱變形溫度作為衡量塑料耐熱性能高低的指標進行研究,以HJMF-1250改性硅灰石按不同比例添加PPJ340塑料制得復合材料并按標準要求測試其熱變形溫度如表3。 可見,針狀硅灰石粉體在增強塑料的力學性能的同時,由于其本身優越耐溫性可明顯改善塑料的耐溫性,粉體添加30%時熱變形溫度比純樹脂提高將近60%,這樣就會明顯拓寬塑料的應用領域和使用范圍。

      表3  不同含量硅石灰下的復合材料測試變形溫度

      硅灰石含量,%

      0

      10

      20

      30

      熱變形溫度,℃

      71.1

      91.2

      95.6

      102.9

       

      結 論

      (1)資源豐富的針狀硅灰石被充分利用到聚丙烯及其樹脂的填充改性上后,復合材料的多項指標大幅度提高,減少樹脂用量,降低成本。

      (2)硅灰石表面改性的效果直接影響其在樹脂中的填充效果。

      (3)根據實驗要求選擇合適的粒徑及長徑比的硅灰石才能達到理想效果,并非粒徑越小長徑比越大就能達到理想效果。

      (4)合適的添加比例才能體現出硅灰石針狀纖維的特有性能。

      (5)針狀硅灰石對提高PP塑料的耐熱性有比較直觀的幫助,而且對材料的加工性能不會產生太大影響。

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