改性硅灰石对PP复合材料性能的影响

杨树竹

(山西省化工研究所，山西 太原，030021)

改性硅灰石对PP复合材料性能的影响

杨树竹

(山西省化工研究所，山西 太原，030021)

用不同的表面改性剂对不同粒径的硅灰石进行改性处理，再按照不同比例填充到聚丙烯(PP)树脂中制备成复合材料。研究了硅灰石的粒径、添加量以及不同种类表面改性剂对复合材料性能的影响。结果表明：不同粒径对复合材料拉伸、弯曲和冲击性能影响不同，当添加硅灰石质量分数30%以下时，复合材料性能增加；超过30%时，其性能呈下降趋势，并且不同种类的表面改性剂对复合材料性能影响也有一定差别。

硅灰石 表面改性剂 聚丙烯 复合材料 力学性能

随着国内塑料工业的不断发展和壮大，塑料应用领域和范围也呈现上升趋势，作为五大通用合成树脂之一的聚丙烯(PP)的产销量也在逐年攀升[1]。虽然PP具有耐温、耐腐蚀、密度小且易成型等优点，但是PP材料存在冲击强度和拉伸强度不高、刚性差等缺陷，这些力学性能的不足使其应用范围受到一定限制。因此，目前许多研究者对其进行了改性处理，使其性能得到了一定改善，同时还赋予了该材料某些特定性能(如阻燃、抗静电等)[2]。

下面主要利用针状硅灰石矿物纤维的特殊结构来改性PP，不仅可以改善材料的尺寸稳定性，减少因热塌陷造成的制品缺陷，还可以通过硅灰石填充PP来提高复合材料的拉伸、弯曲等性能，改善复合材料的热变形温度、减少复合材料的热收缩率和翘曲变形等，同时还可以减少树脂用量和降低成本。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

针状硅灰石粉，BA1250，BA2000，BA2500，粉体白度为90.3%，长径比为5∶1～10∶1，江西华杰泰矿纤科技有限公司；PP，EPC30R/H，中国石油化工股份有限公司茂名分公司；硬脂酸，SA-1801,工业级，印尼；硅烷类偶联剂，工业级，张家港国泰华荣化工新材料有限公司；铝酸酯偶联剂，重庆嘉世泰化工有限公司；铝钛复合偶联剂，自制。

小型高速混合机，GH-10，北京英特塑料机械总厂；同向双螺杆挤出机，南京广达化工设备有限公司；热变形温度测定仪，XWW-20万能试验机，简支梁冲击试验机，悬臂梁冲击试验机，均为承德金建检测仪器有限公司；注塑机,WK-100，山西汾西机电有限公司。

1.2 粉体改性

改性剂以硬脂酸、硅烷类、铝酸酯类和铝钛复合类为主。

将试验所需的硅灰石粉体加入高速混合机并启动电加热升温、搅拌，待温度达到改性试验温度时，将一定计量的改性剂加入混合机，反应一段时间后，即可得到改性的针状硅灰石。

改性效果好坏可以通过测定改性后的粉体沉降体积、吸油值以及活化度等指标来评判。 沉降体积是在100 mL的量筒中加入10 g改性粉体，再加水至100 mL刻度处，上下振荡3～5 min,静置观察沉降情况，沉降越少，粉体亲有机改性效果越好。吸油值测定是称取一定量的样品放置在干净玻璃片上，用装有DBP(邻苯二甲酸二丁酯)的酸式滴定管向样品缓慢滴加油，并不断搅拌直到样品与油能粘成一团，且没有游离干燥样时读数，可通过滴加油的多少，计算样品的吸油值[3]。

1.3 样条制备

按照试验要求将改性处理的硅灰石矿物纤维与PP树脂进行预混，然后利用同向双螺杆挤出机进行造粒，最后用注塑设备注塑出标准测试样条。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T 1040.2—2006 测试，并采用1A型试样，拉伸速率为5 mm/min；弯曲性能按GB/T 9341—2000 测试，弯曲速率为2 mm/min；简支梁冲击强度按GB/T 1043.1—2008测试，悬臂梁冲击强度按GB/T 1843—2008测试； 热变形温度按GB/T 1634—2004 测试。

2 结果与讨论

2.1 不同种类的改性剂对复合材料性能影响

硬脂酸、硅烷偶联剂、铝酸酯和铝钛复合类偶联剂对同一粒径规格的硅灰石进行改性，并用质量分数20%的改性硅灰石与PP树脂混合造粒，制备复合材料，注塑标准样条待测，结果见表1。

从表1可以看出，硬脂酸改性剂对复合材料冲击性能贡献比较大，对复合材料韧性影响较小；硅烷类改性剂弹性模量和弯曲模量提高比较多，所以对增强增刚效果比较好，缺点是冲击性能下降较多；而铝酸酯和铝钛复合类偶联剂性能介于二者之间。综合考虑，铝钛复合类偶联剂在增强材料的同时，又能兼顾材料韧性不会下降太多。

2.2 硅灰石添加量对复合材料力学性能的影响

将经过改性处理的硅灰石按照一定比例添加到PP树脂中，并按试验要求检测。图1是硅灰石对复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响，图2是硅灰石对复合材料弹性模量和弯曲模量的影响。

从图1和图2可以看出：随着硅灰石矿物纤维在复合材料中添加量的不断增加，材料的的强度和模量也随之增加。但当硅灰石质量分数超过30%后，随着硅灰石用量增加，材料的性能出现下降趋势。

2.3 硅灰石长径比对复合材料性能影响

主要选用BA1250,BA2000和BA2500 3种规格的硅灰石，按照质量分数20%制备复合材料，并进行对比试验，结果如表2所示。

由表2可知：硅灰石粒径较大时，复合材料拉伸性能和弯曲性能比较突出，冲击性能比较低；硅灰石粒径越小，复合材料的冲击性能就越好。但是，根据制品综合性能考虑，长径比过大时，粉体在复合材料中分散困难，形成缺陷，同时粒径过大还会对设备产生磨损；硅灰石粒径越小，粉体越容易团聚，影响在树脂中的分散效果，同样会形成制品缺陷，而且越细的纤维状硅灰石加工成本越高，因此在用硅灰石制备复合材料时，应根据实际需要选择合适的长径比和粒径。

2.4 硅灰石表面活性对复合材料性能影响

图3是未经表面改性的硅灰石填充复合材料的扫描电子显微镜(SEM)照片，图4是硬脂酸改性的硅灰石填充复合材料的SEM照片。

从图3和图4的硅灰石填充PP复合材料SEM照片可以看出：没有经过表面改性的硅灰石矿物纤维，在填充时与基体树脂结合比较疏松，受力后硅灰石不能很好地消弱外力造成的破坏；硬脂酸改性的硅灰石填充时与基体树脂结合紧密，断面缝隙细小，更易消除外力破坏，空洞较少。所以经过表面改性，可以增加硅灰石与基体树脂的分子间作用力。

3 结论

a) 硅灰石矿物纤维在填充改性时，对提高PP复合材料的力学性能具有明显的改善效果。

b) 硅灰石表面处理效果好坏，会对PP复合材料性能产生直接作用，应根据树脂类型以及产品对材料性能要求选择适宜改性方式。

c) 不同粒径的硅灰石对PP复合材料性能影响有一定差别：粒径较大时，对材料强度和刚性帮助较大；粒径较小时，对材料的冲击韧性较好。

d) 硅灰石填充PP树脂时可以改善材料的力学性能，同时可以减少树脂的用量，降低成本。

[1] 杨明山，李林楷. 塑料改性工艺、配方与应用[M].北京：化学工业出版社, 2006:5.

[2] 白启荣.改性超细硅灰石硅灰石材料在聚丙烯塑料中的应用研究[J]. 国外塑料,2010，(11)：40.

[3] 王彩丽，郑水林，王丽晶,等.硅灰石表面改性及其在聚丙烯中的应用[J].中国粉体技术, 2009,15(3)：21.

The Effect of Modified Wollastonite on the Performance of PP Composites

Yang Shuzhu

(Shanxi Institute of Chemical Engineering, Taiyuan，Shanxi, 030021)

The wollastonite mineral of different sizes was modified by different surface modifiers, and the composites were prepared by the modified wollastonite filled polypropylene resins in different proportions. The effects of the particle size, added amount of wollastonite, and different types of surface modifiers on the properties of the composites were studied. The results show that there are different effects of different particle sizes on the tensile, bending and impact performances of the composites. When the added mass ratio of the wollastonite is less than 30%,the performances of composites increase,and when the added mass ratio is more than 30%, the performances decrease. The effects of different types of surface modifiers on the performances of the composites are different.

wollastonite; surface modifiers; polypropylene; composite; mechanical properties

2014-04-02;修改稿收到日期:2014-11-10。

杨树竹，女，1975年生，工程师，主要从事橡塑助剂的研发。E-mail:ysz5417@163.com。