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(jī)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(qiáng)度、彎曲強(qiáng)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(shí)材料的耐溫性得到較大提高。

關(guān)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為 48.3％CaO、51.7％SiO2。 硅灰石通常呈針狀、放射狀、纖維狀集合體。在硅灰石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(fù)合單鏈成為硅灰石結(jié)晶構(gòu)造的基本單元，由于它具有特殊 晶體形態(tài)、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(yīng)用于橡膠、陶瓷、塑 料、涂料和造紙等領(lǐng)域。

當(dāng)前，隨著塑料產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，塑料應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。然而聚丙烯作為五大通用合成樹脂中的一個(gè) 重要品種，在國內(nèi)外的發(fā)展均十分迅速。在全球塑料用五大合成樹脂中，聚丙烯的產(chǎn)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(chǎn)能將達(dá)到 1 億 9 千萬噸，其中聚丙烯 4878 萬噸，占總產(chǎn)能的 25.6%。預(yù) 計(jì)未來幾年，塑料的應(yīng)量還會(huì)得到逐年增加，所以隨著塑料制品在工程上的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)于塑料改性 應(yīng)用方面的研究不斷地深入。

實(shí)驗(yàn)方法及過程

由于硅灰石屬無機(jī)非金屬材料，與有機(jī)高分子材料相容性較差，直接應(yīng)用到高聚物當(dāng)中時(shí)填充效果不明 顯甚至?xí)共糠植牧闲阅芟陆担员仨殞?duì)其進(jìn)行表面改性處理提高其疏水親有機(jī)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(jī)粉體表面處理通常選用的表面改性劑有：不飽和有 機(jī)酸、高級(jí)脂肪酸及其鹽類、偶聯(lián)劑等。偶聯(lián)劑包括硅烷類、鈦酸酯類、鋁酸酯類、鋯酸酯類以及鋁鈦復(fù)合 類，經(jīng)長期試驗(yàn)研究篩選以硅烷類偶聯(lián)劑實(shí)驗(yàn)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(jī)中啟動(dòng)攪拌并加熱升溫，待溫度達(dá)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(jìn)行改性，改性時(shí)間約為 10min，可通過測(cè)定改性后的粉體吸油率、沉降值以及 活化度等指標(biāo)評(píng)判其改性效果，本文對(duì)此不做詳細(xì)解釋和說明。

試樣制備 

按照不同實(shí)驗(yàn)配方要求將改性硅灰石粉、PP 樹脂加入雙螺桿擠出機(jī)熔融造粒，擠出機(jī)工藝參數(shù)要求：主 機(jī)轉(zhuǎn)速 300r/min；牽引速度 150r/min；機(jī)頭溫度 200℃；加熱段 1～9 區(qū)的溫度分別為 170℃，180℃，190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃；機(jī)頭溫度 200℃；物料 190℃。將造粒好的粒料置于 95℃鼓風(fēng)干燥箱 內(nèi)干燥 2h，然后用注塑機(jī)注塑成標(biāo)準(zhǔn)樣條待檢測(cè)。

性能測(cè)試

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

改性硅灰石添加量對(duì) PP 復(fù)合材料性能影響

由表 1 可以看出，隨著樹脂中的硅灰石含量的增加，復(fù)合材料的沖擊韌性呈下降趨勢(shì)，但下降幅度不大；拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)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(jié)構(gòu)，使其在復(fù)合 材料的剛性方面表現(xiàn)較為優(yōu)越。復(fù)合材料中硅灰石含量不斷增加的同時(shí)，粒子間的相互碰撞作用也會(huì)增加，碰 撞的結(jié)果會(huì)使部分粒子折斷破壞其針狀結(jié)構(gòu)，從而造成長徑比的減小繼而影響到硅灰石對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果。

硅灰石粒徑對(duì)塑料改性的影響

不僅硅灰石添加量對(duì)復(fù)合材料性能產(chǎn)生影響，而且硅灰石的粒徑也會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生較大影響。由表 2 數(shù)據(jù)可以看出，不同粒徑的硅灰石粉體對(duì) PP 改性中的貢獻(xiàn)有著明顯不同：硅灰石粒度越大對(duì)材料的強(qiáng)度、剛 性方面貢獻(xiàn)比較明顯，粒徑越細(xì)、長徑比較小時(shí)對(duì)材料的韌性貢獻(xiàn)較好。但是粒徑過大時(shí)會(huì)與基體樹脂結(jié)合中 存在微觀分層現(xiàn)象使復(fù)合材料無法形成有機(jī)整體，不但不能提高其材料的力學(xué)性能，反而會(huì)造成制品內(nèi)部缺 陷，容易造成制品應(yīng)力性破壞，所以應(yīng)根據(jù)制品要求懸著合適粒徑的硅灰石進(jìn)行填充改性。

硅灰石表面改性效果對(duì)材料性能的影響

      a 改性填充                                                       b 未改性填充

圖 1 沖擊斷面掃描電鏡對(duì)比圖

 從圖 1 電鏡圖片可清晰看到:改性針狀硅灰石在 PP 復(fù)合材料中能夠與基體樹脂結(jié)合緊密如圖（a），相 反時(shí)未改性的硅灰石與基體樹脂結(jié)合松散、空隙明顯。無機(jī)填料填充高分子材料時(shí)形成復(fù)合材料的性能，除了 與聚合物基體和填料固有性質(zhì)外，其填料的表面特征對(duì)在復(fù)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(lián)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(huì)大幅下降，可明顯提高其分散效果以及與基體樹脂的結(jié)合力，有利于改善復(fù)合材料的性能。

改性硅灰石填充 PP 對(duì)復(fù)合材料耐溫性貢獻(xiàn)

 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(diǎn)表示，耐低溫溫度一般用脆化溫度表示。本實(shí)驗(yàn)主要以熱變形溫度作為衡量塑料耐熱性能高低 的指標(biāo)進(jìn)行研究，以 HJMF-1250 改性硅灰石按不同比例添加 PPJ340 塑料制得復(fù)合材料并按標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試其 熱變形溫度如表 3。 可見，針狀硅灰石粉體在增強(qiáng)塑料的力學(xué)性能的同時(shí)，由于其本身優(yōu)越耐溫性可明顯改 善塑料的耐溫性，粉體添加 30%時(shí)熱變形溫度比純樹脂提高將近 60%，這樣就會(huì)明顯拓寬塑料的應(yīng)用領(lǐng)域和 使用范圍。

表 3  不同含量硅石灰下的復(fù)合材料測(cè)試變形溫度

結(jié) 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(fù)合材料的多項(xiàng)指標(biāo)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(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇合適的粒徑及長徑比的硅灰石才能達(dá)到理想效果，并非粒徑越小長徑比越大就能達(dá)到 理想效果.

（4）合適的添加比例才能體現(xiàn)出硅灰石針狀纖維的特有性能。

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

注：文章素材來源于江西奧特科技有限公司，艾邦高分子整理編輯

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