改性超细硅灰石材料在聚丙烯塑料中的应用研究wollastonite

摘要：用各种改性剂对超细硅灰石粉体进行改性，通过双螺杆挤出机与聚丙烯进行混合改

性造粒，在扫描电镜中观察了硅灰石与塑料的结合情况，对注塑试样测试并分析了相关性

能，同时与滑石等其他无机粉体改性PP材料进行了对比，结果表明：硅灰石改性PP具有

更好的力学性能和耐刮擦性能。

    硅灰石是上世纪50年xx始开发利用的一种新型无机粉体材料，成份是一种钙的偏硅酸盐类矿物，化学组成为CaS103，理论化学成份Ca0  48.3%，Si0251.7%，具有纤维状（针状）结构、稳定的化学性能、低的吸水率、吸油值和xx无嗅等性质。

硅灰石在添加到高聚物中后，可以明显地改善材料的尺寸稳定性，防止热塌陷，提高材料的弯曲强度、弯曲模量、热变形温度和蠕变性能，减少材料的收缩率和翘曲变形，但会影响材料的冲击强度。通过利用各种改性剂对超细硅灰石粉体进行改性，与聚丙烯树脂共混造粒后，在扫描电镜中观察硅灰石与塑料的结合情况，研究分析了材料的耐刮擦性能、弯曲强度、弯曲模量及断裂伸长率等内容，得到了性能优异的改性聚丙烯材料，可以广泛应用在汽车、电子、建筑等领域。

1.2主要设备和仪器

    实验室用高速捏合机，GH- 10型，江苏张家港；由35平行同向双螺杆挤出机，南京瑞亚：WKIOO注塑机，山西汾西；{wn}试验机，河北承德：冲击试验机，河北承德；二次元相仪，美国产：CM- 2500C光度计，柯尼卡美能达；430P-L划格仪，Erich sem公司：扫描电镜，日本JEOL公司。

1.3粉体改性及改性试样的制备

1.3.1硅灰石粉体的改性

    硅灰石和硅灰石粉体具有亲水疏油性，与PP材料的相容性差，通过对它进行表面改性，从而改善它在聚合物体系中的分散性，进而达到相关的使用性能。对于粉体改性主要有干法和湿法两种，我们采取通过在高速捏合机进行表面改性的干法工艺。偶联剂选用硬脂酸，改性温度90℃～100℃，用量为1%，改性时间l5分钟。

1.3.2样品的制备

    首先在高速捏合机中将改性好的粉体材料与PP材料进行混合，然后通过双螺杆挤出造粒，再经过注射成型，制成相应的测试样件。

1.4分析及测试方法

1.4.1 SEM分析

    通过对各种改性硅灰石增强PP材料拉伸断裂处进行扫描电镜观察，确定硅灰石在PP中的分散及结合性。

1.4.2物理性能测试方法：

    简支梁冲击强度和悬臂梁冲击强度分别依据GB/ T1043.1。2008、GB/ Tl843- 2008并均为l型试样，

A型缺口：  弯曲试验依据GB/ T9341。2008:拉伸试验依据GB/ T1040.2·2006并采用lA型试

样，拉伸速度为Smm/min: HDT依据GB/ T1634.1·2004并采用A法侧立1. 8MPa负荷。

1.4.3耐刮擦性能测试方法：

    目前，对于耐刮擦性能测试并没有一个统一的标准，现在主要存在美国通用公司、欧盟和日本的三种方法，我们分别按照通用公司和德国大众的两种方法进行了测试分析。

    德国大众测试方法：配方PP+30%填料，注塑成Φ100*3mm的圆片，在实验室用划格仪分别划出垂直相交的10条线，然后用光度计测试△L，△E值，通过上述两值确定耐刮擦性能。

    通用公司测试方法：配方PP+20%填料，注塑成100*100*3mm的平板件，在实验室用10N力划5条直线，然后再通过二次原相仪测试出划伤的宽度，确定耐刮擦性能。

2结果与讨论

2.1改性偶联剂的选择

    目前，常用对无机粉体进行改性的材料主要有偶联剂（硅烷、钛酸酯、铝酸酯、复合偶联剂等）和表面活性剂（硬脂酸、聚乙烯醇等）。我们选择了烷基硅烷(A)、钛酸酯(B)、铝酸酯(C)复合偶联剂(D)及硬脂酸(E)对超细硅灰石粉体进行改性，然后按30%的量加入到PP材料中，通过造粒、注塑和测试等环节后，得到各改性剂改性PP的冲击强度和弯曲模量的比较图。

从中可以看出：由于硅烷比较硬，故它的刚性（弯曲模量）要好，而韧性（冲击强度）要差一些，对于硬脂酸则相反。钛酸酯和铝酸酯的性能比较接近，而自制的复合偶联剂则由于综合优化了材料的刚性和韧性，为{zj0}改性剂。

2.2硅灰石改性PP材料的SEM分析PP材料的扫描电镜图片，从图片中也可以看出：硅烷改性材料中硅灰石和PP树脂的结合较好，钛酸酯及硬脂酸的结合不好，而且有较多的空洞，复合偶联剂的分散及相容效果{zh0}。这与2.1中的结果也相吻合。

2.3耐刮擦性能分析

聚烯烃材料的耐刮擦性能明显较差，而这一性能却是仪表板、操控台和门板表皮等汽车内部应用部件的关键性能。同时，抗刮擦性是汽车外部应用部件、ATVs（全地形车辆）等车辆、耐用品和家具等的重要性能之一。塑料和汽车工业正积极寻找解决方案以提高高分子材料的耐刮擦性能。由于硅灰石矿纤材料的奠氏硬度达到4.5，是所有无机粉体材料中{zg}的，因此通过添加硅灰石矿纤材料到聚烯烃材料中以提高材料的抗刮擦性能。

2.3.1德国大众标准的测试分析

表l为分别选用不同的材料对PP进行改性后耐刮擦性能的比较，此项测试首先要观察划格后样品的表面外观，其次要对比样品的AL、AE值，两个值越小越好，从结果中可以看出：玻纤样品经划格后，肉眼即可看出划痕的表面毛糙，用手摸上去有扎手的感觉，效果非常差，而对比硅灰石和滑石，硅灰石的耐刮擦性能要好于滑石材料。

2.3.2美国通用标准的测试分析

    通过二次元相仪测量，20%硅灰石的刮擦宽度为0. 3656mm，丽20%滑石改性PP材料的刮擦宽度为0. 3945mm，硅灰石要好于滑石，同时，从图片上划痕的清晰程度来看，硅灰石填充PP也比滑石粉填充PP的划痕要模糊一些。

2.4各种无机粉体增强PP力学性能比较分别在PP中添加30%的硅灰石、滑石和碳酸钙，测试性能后得到。

    从上表可以看出：在相同添加量的情况下，三种粉体改性PP材料的拉伸强度与纯PP材料变化不大，表明三种粉体的粒径和混合分散效果均较好；硅灰石改性PP材料在冲击强度方面比碳酸钙改性PP材料和纯PP略差，而优于滑石粉，说明碳酸钙的球状结构与PP树脂的界面结合要好于针状结构的硅灰石和片状结构的滑石；在其它方面，硅灰石改性材料的性能优于另外两种材料，特别是在断裂伸长率方面，具有明显优势，是由于硅灰石的硬度和纤维状结构起到了主要作用。

3结论

(1)改性硅灰石矿纤材料的{zj0}改性剂为自制的复合偶联剂。

( 2)改性硅灰石可以很好改善PP材料的力学性能，提高耐刮擦性能、弯曲强度、弯曲模量，可以广泛地应用在汽车、电子、建筑等领域，达到提高性能、降低成本的功效。

(3)硅灰石粉体在增强PP中比滑石粉和碳酸钙具有更好的力学性能，特别是断裂伸长率的优势明显。