不同粒径的滑石粉改性聚丙烯的性能研究

2020-11-27彭鹤松吴维冰邓克文

山东化工 2020年21期

宋波，彭鹤松，吴维冰，邓克文

(江西广源化工有限责任公司，江西吉安 331500)

聚丙烯作为一种通用塑料，具有许多优良的性能，但是因机械强度低、耐热性差、收缩形变大、抗蠕变性差等缺陷，在应用上，特别是作为结构材料，受到很大限制，不能作为高性能的工程塑料。因此，对聚丙烯进行改性，使之工程化就成为一个重要的研究课题[1]。采用滑石粉填充改性PP，耐热性好，收缩率低，尺寸稳定性好，硬度高。滑石粉填充PP复合材料已广泛应用于汽车部件及日常用品的生产，其产品与未填充滑石粉的PP相比具有良好地表观质量、低的收缩率和较高的热变形温度[2]。胡圣飞等采用采用纳米CaCO3填充聚丙烯，研究表明纳米CaCO3填充PP在大幅提高PP冲击强度的同时能改善其耐热性与尺寸稳定性，并可保证拉伸强度不变[3]。孟丽萍等采用硫酸钡填充聚丙烯，研究结果表明，硫酸钡填充聚丙烯材料是一类高填充兼有高刚度、高韧性、高伸长率的新型复合材料[4]。

国内对无机填料填充改性聚丙烯研究较多，尤其是表面改性填料填充聚丙烯的研究，在聚丙烯的改性上，以往的研究多侧重其性能的研究，往往采用的是纯度很高的滑石粉或者是沉淀法生产的碳酸钙或硫酸钡。但随着优质滑石资源的逐渐萎缩，如何在保证滑石粉填充改

性聚丙烯的性能不变的前提下降低生产成本；笔者采用了三种原料丰富硅含量适中的不同粒径的滑石粉填充改性聚丙烯，研究了三种滑石改性聚丙烯的效果，为超细滑石粉的选型提供了技术支持。

1 实验部分

1.1 实验原料

滑石粉，海城市新广源粉体材料有限公司，HS-338，HS-638，HS-738，PE蜡：青岛邦尼化工有限公司，BN-200；复合稳定剂，市售，自配；聚丙烯：辽宁华锦通达化工股份有限公司，牌号T30S；复配型抗氧剂，市售产品，自配。

1.2 主要仪器及设备

马尔文激光粒度仪：3000E，英国马尔文仪器有限公司；双螺杆挤出机组：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5mm，南京杰恩特机电有限公司；注塑机：ZX-80型，震雄集团公司；万能力学性能实验机：CMT6104型，美斯特工业系统(中国)有限公司；冲击试验机：ZBC1400-B型，美斯特工业系统(中国)有限公司；熔体流动速率仪：ZRZ1452型，美斯特工业系统(中国)有限公司；光电雾度计：WGW，上海珊科仪器厂；电子比重计：DH-300，北京伊若特电子仪器公司。

1.3 材料的制备

首先，将PP加入到高速混合机中，同时加入PE蜡，搅拌5min，然后再加入其他助剂和填料，混合10min后，冷却出料；再将混合好的原料加入到双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，加工温度为：160-180℃；注塑成标准样条进行力学性能测试。另将母粒在压片机上制成薄膜进行透光率的测试。

1.4 性能测试

拉伸性能测试：按GB/T1040.1-2018测试；

弯曲性能测试：按GB/T9341-2008测试；

简支梁缺口冲击性能测试：按GB/T1043.1-2008测试，采用2J的冲锤，跨度 40mm；

悬臂梁缺口冲击性能测试：按GB/T1843-2008测试，采用2.75J的冲锤，跨度 40mm；

熔体流动速率测试：按GB/T3682-2000测试，温度为230℃，压力为3.8 kg；

比重测试：按GB/T1033.1-2008测试。

2 结果与讨论

2.1 三种滑石的基本性能

从表1可以看出，所采用的三种滑石粉其二氧化硅含量在45%左右，这种二氧化硅含量的原矿储量丰富，价格适中，适用于工业领域，是一种性价比较高的产品。从细度和吸油量这两个指标来综合考察，可知HS-738的产品是最细的，由于无机填料粒子的增强增韧作用，细度越细，其比表面积越大，填料与PP基材接触的点就越多，在受外力的情况下，其所产生的裂纹和受力点会越多，推测其力学性能会更好。

表1 三种滑石的主要物理指标

2.2 三种滑石的粒径分布和表面形貌

由于滑石呈典型的片状或者层状结构，单纯的用激光粒度仪不能完整的对其进行性能分析，还应综合考虑其粒径分布的宽窄和表面形貌的影响。图1为三种滑石的粒径分布，从图1可知HS-738的粒度分布也是最窄的，大部分颗粒集中分布在2-10μm之间，粒径分布越窄，更有利于提高其分散性和加工性能。

(a)HS-338 (b)HS-638 (c)HS-738

图2为三种滑石粉的SEM扫面电镜的照片，放大倍数为5000倍。从图2可以看出三种滑石粉都呈典型的片状结构，其中HS-738还具有部分层状的结构。

(a)HS-338

2.3 滑石粉填充对聚丙烯改性效果的影响

2.3.1 实验配方

表2 滑石粉/PP复合材料配方

2.3.2 滑石粉/PP复合材料的力学性能

表3为滑石粉/PP复合材料力学性能和熔融指数数据。从表3可以看出，添加200份滑石粉的时候，与纯PP相比，采用HS-738所制备的复合材料的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和熔融指数都得到了提高，说明添加200份滑石粉在复合材料中起到了增韧增强的效果。采用HS-338，由于其粉体颗粒较粗，拉伸强度会下降；采用HS-638由于其粒径分布比HS-738的要宽，其熔体流动性要差于HS-738，综合考虑其力学性能和加工型，采用HS-738改性PP是各项力学性能和加工性能最优的。

表3 滑石粉/PP复合材料的力学性能

2.3.3 滑石粉/PP材料的比重和制备的薄膜的透光率

表4为滑石粉/PP复合材料比重和薄膜透过率数据。从表4可以看出，HS-738制备的复合材料的比重比其他两种滑石都要低；制备的薄膜的透光率要高于HS-338，低于HS-638，这与滑石粉的二氧化硅的含量的高低是一致的。轻量化已逐渐成为塑料加工领域的一个发展方向，简单的来说，就是在同样的添加量的情况下，希望所制备的材料的比重越小越好。对于采用无机粉体添加到塑料中，越细的粉体由于其比表面积越大，制备出来的材料的比重会越小，相对应的其制品的产量会得到提升，生产成本下降。

表4 滑石粉/PP材料的比重及透光率

2.4 超细滑石粉添加量对制备的材料的性能影响

由于HS-738单纯的粉体的生产成本是高于HS-338和HS-638，在相同的添加量的情况下其力学性能要好，但生产成本会高，为了进一步验证添加HS-738的效果，我们将其添加量做了增加到300份、400、500份，与HS-338和HS-368添加200份时对比其性能。

2.4.1 实验配方

表5 滑石粉/PP复合材料配方

2.4.2 滑石粉/PP复合材料的力学性能

表6为滑石粉/PP复合材料力学性能和熔融指数数据。从表6可以看出，随着HS-738添加量的增加，其拉伸强度和熔体流动速率是逐渐下降的。与HS-338添加200份相比，由于其细度的变细，其拉伸强度在添加到500份时都要高于HS-338添加200份，但是其熔体流动速率会有一定的下降，综合考量其性能，在添加300份HS-738其性能与添加200份HS-338接近；与HS-638添加200份相比，添加HS-738滑石粉300份时其拉伸强度与其相近，熔体流动速率要高，加工性能要好。