铝酸酯改性硅藻土／聚丙烯复合材料拉伸性能研究

姚金金， 郭 郊， 金松哲＊，赵 宇， 张可新， 宋华宏

（1.长春工业大学 材料科学与工程学院，吉林 长春 130012；2.长春丰东热处理有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

聚丙烯（PP）是最广泛使用的工程塑料之一，拥有良好的可加工性和可回收性，优异的机械性能、化学稳定性和热稳定性。然而，其刚度低，对缺口过于敏感，在高温或高应变速率条件下存在脆性等特性，限制了其应用［1－3］。通常采用添加粒状填料的方法改善聚丙烯的性能，如使其具有高的比刚度和比强度，具有良好的抗疲劳性能等。

硅藻土具有体轻、质软、多孔、比表面积大等特点，近几年已广泛应用于橡胶，塑料行业的粒状填料［4－5］，梁基照［6］等发现在聚丙烯中添加少量硅藻土可有效提高复合材料的熔体强度。汪广恒［7］等发现在聚氨酯硬泡材料中添加少量（小于30%）的硅藻土，显著改善了其力学性能。

由于硅藻土等无机填料的化学结构与聚丙烯等聚合物存在明显的差别，两者熔融共混制备复合材料时基体与填料的结合力太弱，有时随着无机填料添加量的提高，其拉伸性能反而降低。所以无机填料表面改性的研究工作至关重要［8－9］。

文中采用铝酸酯偶联剂对大组分的硅藻土进行表面改性，与聚丙烯熔融共混得到拉伸性能优异的复合材料。重点研究铝酸酯偶联剂与纯硅藻土和硅烷偶联剂的改性效果的对比，旨在获得对复合材料改性效果更好的偶联剂。

1 实验方法

1.1 实验原料

本研究所用的硅藻土由吉林省临江圣迈硅藻土功能材料有限公司提供，其牌号为DA－1，堆密度为0.35g／cm3，孔容积0.45mL／g，比表面积19.1m2／g。聚丙烯是市售燕山石化产牌号为K8303的颗粒状原料，熔体流动速率为1.0～3.0g／（10min），密度为0.89～0.92g／cm3。偶联剂采用市售南京品宁偶联剂有限公司产KH550硅烷偶联剂和DL－411－A铝酸酯偶联剂。

1.2 复合材料的制备与表征

首先采用硅烷偶联剂KH550，铝酸酯偶联剂411，对硅藻土进行表面改性，然后将改性过的硅藻土与聚丙烯在哈克转矩流变仪（PolyLab OS）中高速混合，最后将所得样品放入模具中，在平板硫化机下压制成型，制备硅藻土／聚丙烯复合材料。本研究中制备的硅藻土／聚丙烯复合材料的原料组成见表1。

表1 硅藻土／聚丙烯复合材料的原料组成

采用红外光谱测试仪（FTIR－650）分析改性后硅藻土的改性效果，电子拉力试验机（WDW－1）测试复合材料的拉伸性能，扫描电镜（JSM－5600LV）观察复合材料组织，分析硅藻土在聚丙烯中的分布状态。

2 实验结果与分析

2.1 硅藻土偶联效果分析

硅藻土和经不同偶联剂改性试样的红外光谱分析结果如图1所示。

图1 硅藻土及其改性试样的红外光谱分析

由图1可知，硅藻土经硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂改性后，1 600和3 400cm－1左右的吸收峰减弱，说明硅藻土中SiO2的物理吸附水量和Si－OH基数量减少。此外，1 100、797和471cm－1等SiO2的特征吸收峰没有明显变化，而Si－O键的伸缩振动吸收峰（1 100、820cm－1左右）强度有所增强，说明偶联剂的加入并未改变SiO2的物相组成和晶体结构，只是其表面的部分羟基与偶联剂作用生成Si－O键，表面有机成分增多，疏水性增强。

2.2 复合材料的组织形貌

硅藻土／聚丙烯复合材料在液氮中冷冻后脆断断口的扫描电镜观察结果如图2所示。

图2 硅藻土／聚丙烯复合材料的组织及硅藻土颗粒形态

图2 （a）、（b）、（c）分别为纯硅藻土、硅烷偶联剂改性的硅藻土、铝酸酯偶联剂改性的硅藻土填充到聚丙烯中制备的复合材料的组织。由图中可知，图2（a）中a点的硅藻土颗粒在复合材料断口处呈拔出状，且图中亮点即硅藻土颗粒在复合材料断口处存在较多，未被聚丙烯树脂包裹，说明未经偶联剂改性的纯硅藻土与聚丙烯结合力低，易剥离脱落。而图2（b）中经硅烷偶联剂改性硅藻土后，复合材料断口处的硅藻土颗粒有所减少，其中b点的硅藻土颗粒镶嵌在聚丙烯树脂中，结合良好。图2（c）中经铝酸酯偶联剂改性的复合材料断口处几乎看不到裸露在断面的硅藻土颗粒，断口右下角还存在二次裂纹，说明复合材料断裂主要发生在聚丙烯树脂内部，而不是聚丙烯与硅藻土的界面粘结处，从而更加充分说明经铝酸酯偶联剂改性后，硅藻土颗粒与聚丙烯树脂结合的牢固。

2.3 硅藻土／聚丙烯复合材料的性能

2.3.1 不同偶联剂影响

不同偶联剂对复合材料断裂强度和断裂应变的影响如图3所示。

图3 不同偶联剂对断裂强度和断裂延伸率影响

从图中可以明显看出，经铝酸酯偶联剂改性的硅藻土填充到聚丙烯中，其复合材料的断裂延伸率和断裂强度远远高于硅烷偶联剂和纯硅藻土。硅藻土含量为20%时，经铝酸酯偶联剂改性后，相比于改性的复合材料断裂强度提高了64.05%，断裂延伸率提高了121.60%，相比于硅烷偶联剂改性的复合材料断裂强度提高了64.08%，断裂延伸率提高了154.8%。其中断裂强度是根据其断裂时的载荷比上其断裂时的横截面积所得到的。由此可知，铝酸酯偶联剂较硅烷偶联剂而言，对硅藻土的改性效果更好，使硅藻土颗粒更加均匀地分布在聚丙烯树脂中，填充材料粒子不发生团聚，粒子与树脂基体有良好的界面粘接。

2.3.2 偶联剂含量影响

偶联剂对复合材料断裂强度、断裂应变的影响如图4所示。

图4 偶联剂用量对断裂强度和断裂延伸率影响

由图可得，当硅藻土含量小于40%，偶联剂用量为1%时，其复合材料的力学性能最佳。这可能是由于偶联剂量过少时，不能将硅藻土表面完全改性，使得硅藻土在复合材料中分布不均；当偶联剂使用过量时，将会在硅藻土表面形成多层包覆，降低界面粘结力。但当硅藻土含量为40%时，偶联剂用量对复合材料影响不大，这可能是由于硅藻土含量过大，复合材料内部缺陷增多，性能急剧下降，偶联剂的改性效果不太明显。

2.3.3 硅藻土含量影响

随着硅藻土含量的增加，复合材料的断裂强度和断裂应变的变化趋势如图5所示。

图5 硅藻土含量对断裂强度和断裂延伸率影响

由图可知，随着硅藻土含量不断增加，复合材料的断裂强度和断裂韧性不断下降。对于改性后界面粘接良好的铝酸酯偶联剂，这主要是由于随着硅藻土的含量的不断增加，一方面约束一些聚丙烯树脂取向单元的取向，另一方面易产生第一类微观应力集中，进而引发小银纹（裂纹），产生应力集中效应，使断裂强度降低，断裂伸长率下降。而对于改性后界面粘结不太好的硅烷偶联剂，随着硅藻土含量的增加，在拉伸力作用下，易产生界面脱粘，一方面产生应力集中效应，另一方面因填充材料不承载，材料实际受力面积明显减小，最终导致断裂强度下降较大。

3 结 语

通过研究硅藻土－聚丙烯复合材料拉伸特性表明，铝酸酯偶联剂对于改善硅藻土和聚丙烯的界面粘结有着良好效果。改性后硅藻土／聚丙烯复合材料断裂应变、断裂强度相比于未改性的复合材料分别提高了121.6%和64.05%，相对于硅烷偶联剂改性的复合材料分别提高了154.8%和64.08%。

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