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常见无机填料分类和在改性pp中的应用
发布时间:2020-04-15 10:50

  聚丙烯(pp)由于其模量小,缺口敏感性强,冲击强度低,特别是低温和高应变速率下的冲击强度低,作为工程塑料的应用受到限制。通常通过加入弹性体来增加pp的韧性,但弹性体的加入往往使pp韧性增加的同时刚度、硬度等降低,因而尝试用无机填料来增加pp的力学性能。加入无机填料能提高材料的多项力学性能和热力学性能,包括刚度、抗蠕变性、热变形温度、收缩率等,但另一方面,无机填料的存在往往使材料的拉伸强度和韧性降低。

常见无机填料分类和在改性pp中的应用

  无机填料对材料力学性能的影响主要依赖于无机刚性粒子的形状、粒径大小、粒子团聚体大小、粒子表面特征和聚合物基体的性能。下面介绍常用的无机填料在增强增韧聚合物中应用。

  碳酸钙在增强增韧pp中的应用

  碳酸钙产品分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。

  重质碳酸钙简称重钙(gcc),是用机械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白至、贝壳等制得。由于重质碳酸钙的沉降体积比轻质碳酸钙的沉降体积小,所以称之为重质碳酸钙。目前工业生产重质碳酸钙主要有二种工艺,一是干法,另一种是湿法。干法工艺与湿法相比可生产出成本较低、用途广泛的产品。

  轻质碳酸钙简称轻钙(pcc),是将石灰石等原料锻烧生成石灰主要成分为氧化钙和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳主要成分为氢氧化钙,然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀,最后经脱水、干燥和粉碎而制得。或者先用碳酸钠和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀,然后经脱水、干燥和粉碎而制得。

  碳酸钙是最早被应用于填充增强增韧pp的无机填料之一,且一直以来,微米级碳酸钙的应用都处于主导地位。研究表明,碳酸钙的加入能使pp的冲击强度升高,但拉伸强度降低,轻质碳酸钙的加入能同时提高的冲击强度和屈服强度,且用硬脂酸处理过的pcc效果更好,用钛酸酯偶联剂处理过的碳酸钙能显著提高pp的冲击强度。

  随着纳米级碳酸钙的出现,用纳米碳酸钙能同时增强增韧,且增韧效果比微米级碳酸钙更好。研究表明,纳米碳酸钙的形态不同,复合材料的力学性能也大不一样。立方形纳米碳酸钙有利于改善复合材料的冲击性能,而纤维状纳米碳酸钙则能明显改善pp复合材料的拉伸性能,纳米碳酸钙能使pp球晶明显地细化,并能促进β晶型的生成。

  玻璃微珠在增强增韧pp中的应用

  玻璃微珠(gb)是一种新型的硅酸盐材料,包括实心和空心两种。通常将粒径为0.5~5 mm的玻璃珠称为细珠,粒径在0.4 mm以下的称为微珠;微珠根据不同的来源有多种,粉煤灰玻璃微珠是粉煤灰中提取出的一种轻质微型球状物质,它的主要成分是二氧化硅,还含有多种金属氧化物,粉煤灰玻璃微珠有耐高温、导热系数小等优点,用于填充塑料不仅可增加材料的耐磨、抗压、阻燃等性能,而且,它特殊的球形表面还可提高材料的加工流动性,另外,它表面光泽度好,可增加制品的表面光泽,减少表面的污垢吸附。

  gb被广泛用于pp的增强增韧。研究表明,随着gb用量的增加,单、双螺杆挤出pp/gb复合材料的拉伸弹性模量、弯曲强度和弯曲弹性模量均呈线性增长的趋势,而屈服强度则有小幅下降;断裂应变在低含量时有所提高,然后迅速下降,单、双螺杆挤出材料的冲击强度均有所提高,并在一定范围内随gb用量的增加而增大,且单螺杆挤出材料的冲击强度略高于双螺杆挤出材料,gb粒径对pp/gb复合材料的韧性有较大影响。

  硅酸盐矿物在增强增韧pp中的应用

  目前,应用和研究最广泛的硅酸盐矿物有滑石粉、蒙脱土、硅灰石等,其中凹凸棒石、沸石也受到较多关注。

  滑石粉和蒙脱土(mmt)均为层状硅酸盐矿物。滑石粉为片状结构的硅酸镁盐类矿物,通常其粒度越细分散效果越好,可提高材料的热变形温度且降低表面粗糙度;mmt层间距较大,常采用插层法制备pp复合材料,mmt在pp基体内可形成良好的插层结构,从而提高pp的耐冲击性及尺寸稳定性。

  凹凸棒石(atp)是链层状硅酸盐。atp是一种天然一维纳米材料硅酸盐矿物,其基本结构单元为针状或短纤维状单晶体,atp可以在微米填充和纳米增强两个水平上与pp进行复合,提高pp复合材料的力学性能。这种新型的粘土短纤维克服了一般玻璃纤维增强塑料的流动性差、外观粗糙、对加工设备磨损严重等缺点,因而拥有较高的开发价值。

  硅灰石是单链硅酸盐矿物,通常呈片状、放射状或纤维状集合体。研究表明,硅灰石填充塑料不但可以提高其力学性能,而且可以代替玻璃纤维使用,减少成本,但随着填充量的增加,复合材料的硬度变大,对加工设备的磨损较严重。

  沸石为架状硅酸盐矿物。它拥有丰富的孔道结构,能够通过吸附或负载功能粒子,制备功能性较强的聚丙烯复合材料,提高产品的附加值。因此开发pp/沸石功能性复合材料极具潜力,成为目前研究和关注的热点。

  钛白粉在增强增韧pp中的应用

  钛白粉的化学成分为二氧化钛,有金红石型和锐钛矿型,金红石型是最稳定的结晶形态,结构致密,硬度、耐候性和抗粉化性等优于锐钛型,对大气中的各种化学物质稳定,不溶于水,耐热性好。钛白粉加入以后不仅可提高pp的产品白度,还可减少紫外线的破坏作用,可提高pp的耐光老化性能,还可提高制品的刚性、硬度和耐磨性,但其和pp相容性较差,必须进行增容改性。

  总结

  近年来,pp/无机刚性粒子复合材料越来越被青睐,为其综合性能的进一步提高和应用领域的扩大开辟了新的途径。目前,如何有效促进无机刚性粒子在复合材料中的分散及无机刚性粒子与基体的结合,仍然是改性的重点,而建立pp无机刚性粒子复合材料的微观结构模型,对复合体系进行界面分子设计,通过无机刚性粒子与聚合物的表面物理化学改性,界面增容剂的合成,确定适宜的加工工艺,实现所设计的界面分子结构,从而实现材料性能的有效调节则是研究方向。随着科学技术的发展,pp无机刚性粒子复合材料的制备方法必将得到进一步的完善,性能亦得到提高,高刚性、高韧性的pp无机刚性粒子复合材料的工业化应用,将为我国通用塑料的工程化做出重要贡献。