硅灰石在聚丙烯改性中的研究

    硅灰石是一种工业矿物，属于链状偏硅酸盐，分子式为CaSi0，粉碎后，颗粒呈纤维状或针状。硅灰石无毒，不含结晶水，吸湿性小、热稳定性好。与碳酸钙相比，耐腐蚀性好，与云母、滑石粉等片状材料相比，硬度高，表面不易刮伤的特点，并且硅灰石具有低吸油性，以之填充的塑料富于光泽。据文献资料报道，硅灰石占欧美无机填料市场的10%-15%。张凌燕等指出硅灰石相对于其它填充物改性工程塑料具有自身的优势，与碳酸钙和滑石粉相比，具有体系粘度低，可进行高填充，节约树脂用量，降低成本，并且热稳定性好，而碳酸钙和滑石粉易脱水。同玻璃纤维相比，制件表面状况好，而且价格便宜。我国硅灰石矿藏资源丰富，作为塑料改性填充物应用到塑料制品中，可以降低塑料的用量，有利于节约资源。

1  实验部分

1.1  主要原料

    PP (MFR =12 g/10 min，230℃/2. 16 kg)，市售：硅灰石（针状，长径比为5：1）．江西华杰泰矿纤科技有限公司：玻璃纤维(短切玻纤，纤维长度为3 mm，直径l3μm)，重庆国际复合材料有限公司：滑石粉（1250目），合山化工：偶联剂(YDH550，YDH792)．南京裕德恒精细化工有限公司。

1.2主要设备

  双螺杆挤出机SHJ - 40型)，南京瑞亚弗斯特高聚物装备作者简介：刘乐文（* -），男，工程师，主要从事改性塑料研发工作。

有限公司：注塑成型机（HTF80W2型），宁波海天塑机集团有限公司：电子*试验机(CMT - 6104)，深圳市新三思计量技术有限公司：冲击试验机（ZWICK 5113型），德国ZWICK/ROELL公司：熔体流动速率仪(ZRZ -400)，深圳市新三思计量技术有限公司：固体密度计(XS 104)，瑞典MEITLER公司：二次元影像量测仪（YVM - 3020），东莞市源兴光学仪器有限公司。

1.3试样制备

    将原材料按配比放入高混机中高速搅拌3 -6 min，通过喂料装置进入双螺杆挤出机中，硅灰石等填料在螺杆的中部通过侧喂料装置喂入，机筒温度设定为190一230℃，螺杆转数为350rpm，*后将粒子注塑成标准试样。

1.4性能测试

    按IS0 527 -1993测试拉伸强度，拉伸速度10 mm，nun： 按IS0 178 - 2001测试弯曲模量，弯曲速度2 mm/min：

    按IS0 180，1A - 2000测试材料悬臂梁缺口冲击强度，V型缺口，缺口深度为2 rnm，摆锤速度为3.5 m/s；

按IS0  1133 - 2005测试熔体流动速率，230℃/2.16 kg：

按IS0 1183 - 2004测试材料密度：

按IS0 294 -3 -1996测定收缩率。

2  结果与讨论

2.1  硅灰石对力学性能的影响

    滑石粉和云母粉通常用在聚丙烯塑料中提高材料的力学性能和改善制件的尺寸稳定性。硅灰石是具有长径比的矿物，尤其是高长径比产品在生产过程可能受到摩擦而损坏。所以为了对比准确性，所有填充物都从螺杆的中部通过侧喂料机加入，表l是硅灰石、滑石粉、云母粉在聚丙烯填充中对物性的影响。 从表l中可知，在同样的填充含量下，硅灰石填充材料弯曲模量比滑石高10%左右，断裂伸长率比滑石粉高40%，拉伸强度和冲击强度和滑石粉相近。硅灰石拉伸强度、弯曲强度和冲击强度等力学性能和云母粉相比要低10%，弯曲模量要低20%。收缩率方面，硅灰石收缩率和滑石粉相近，比云母粉要大。杨彬等在改性的硅灰石填充聚丙烯材料中也指出由于硅灰石是长径比比较高的针状材料，在改性料中能够提供骨架作用，硅灰石的材料力学性能要好于滑石粉。云母是一种径厚比比较高的二维增强片状材料，在塑料中能够起到支撑作用，苏一凡等。也提出云母能够提高材料力学性能，特别是材料弯曲模量的改善，并使材料收缩率大大降低。

3.2不同偶联剂对物性的影响

  无机粒子表面处理与否以及所采用的处理方法，对填充复合塑料性能有重大的影响，硅灰石是极性材料，同聚烯烃相容性不好。所以要提高PP与硅灰石的力学性能，必须加入一定量的偶联剂。
   

    偶联剂加入量的多少和不同种类的偶联剂对力学性能有影响。偶联剂加入量的增加拉伸强度、冲击强度和弯曲强度都有一定程度的提高，收缩率影响不大。说明偶联剂的加入使得树脂和填充物之间接合力提高，所以力学性能有提升。而树脂和硅灰石之间的接合，不会影响填充物的结构和尺寸，所以收缩率基本没有变化。双氨基的硅烷偶联剂YDH792比单氨基的硅烷偶联剂YDH550有更多的活性基团和硅灰石接合，对力学性能的提高更加明显。从表2也可知，随着树脂和填充物之间接合力的提高，使得材料熔体流动速率下降。

3.3  硅灰石取代玻璃纤维的考察

    据文献资料介绍，硅灰石是一种针状纤维，可以取代部分玻纤，在硅灰石和玻纤I:I和1:3的配比下，硅灰石，玻纤具有良好的韧性一刚性平衡性能。通过实验发现，硅灰石和玻纤填充比例在1:3的时候，如表3所示，硅灰石的加入对材料力学性能影响较大，只有同等玻纤含量下拉伸强度和弯曲强度的80%左右，冲击强度更只有60%左右，另外对材料的收缩率也影响较大。在硅灰石，玻纤的复合体系中，加入硅灰石比单一的玻纤增强体系，其断裂伸长率要高，熔体流动速率高。

    硅灰石长径比只有5：1，而玻纤的长径比有230：1，两者在加工过程中都有折断，但改性料中玻纤的保留长径比也在30：l- 60：1左右，长径比越大，材料力学性能越高，所以玻纤增强产品的力学性能要比硅灰石填充的高。而且，玻纤在制造过程中玻纤生产商经过了特殊处理，使得玻纤和树脂之间接合力要比硅灰石好，所以力学性能商。

3.4硅灰石取代玻纤增强聚丙烯中树脂原材料的影响玻纤增强材料具有高强度高模量等特点，但是成本较贵，而硅灰石相对比较便宜，为了降低材料成本，考察了在玻纤增强聚丙烯中，添加不同含量的硅灰石对性能的影响。
   

    随着硅灰石在玻纤增强材料中的增加，冲击强度和拉伸强度有小幅度的降低，而弯曲强度、弯曲模量有不同程度提高，密度随着硅灰石的加入而增加。材料收缩率基本没有变化。在玻纤增强聚丙烯中，用适当的硅灰石能够取代树脂材

料。

3.3填充物对光泽度的影响

    矿物填充聚丙烯材料，无论是滑石粉，碳酸钙还是硅灰石改性，主要的应用是家电和车用材料的外观件，本文考察了硅灰石和滑石粉在填充20%的含量情况下，对本色和黑色颜色光泽度变化的对比，如表5所示，对比了R200，R600和R85。角度下滑石粉和硅灰石的光泽度测验值，因为裸眼在R600附近对光泽度感知*敏感，对比R600条件下的光泽度值，硅灰石和滑石粉在没有配色的情况下对光泽度的影响是一致的，如果配制成黑色材料，硅灰石对聚丙烯光泽度的影响比较大，光泽度只有滑石粉的75%。

3.4  填充物对耐刮擦性影响

    把20%滑石粉填充和20%硅灰石填充的聚丙烯分别注塑成100 mm×IOO mm×3 mm的方板，在刮擦仪上施加10 N力作用于方板上，得到刮擦直线，通过二次元影像量测仪测试出划伤的形状如图l和图2历示，对比图1和图2发现硅灰石的划痕比较浅，而滑石粉的划痕要深，比较清晰，经过量测，硅灰石填充的方板上刮擦的宽度为0. 36 mm，滑石粉填充的方板上刮擦的宽度为0.40 mm。所以硅灰石的耐刮擦性比滑石粉要好。

    

4结论

图2滑石粉耐刮擦图片

    (1)硅灰石在改性PP材料中能够提高材料力学性能和提高尺寸稳定性。

    (2)硅灰石与滑石粉在PP填充改性中对比，材料弯曲模量提高IO%，断裂伸长率提高40%。

    (3)不同的偶联剂和加入量对硅灰石填充聚丙烯的性能有影响，特别是对弯曲强度和弯曲模量影响较大。

    (4)硅灰石和玻纤的比例为1：3，力学性能只有纯玻纤增强体系的80%。

    (5)硅灰石在本色料中光泽度和滑石粉相当，在黑色料中光泽度只有滑石粉填充的75%。

    (6)硅灰石与滑石粉耐刮擦性对比，划痕要浅，划痕宽度只有滑石粉的90%。

    (7)硅灰石在国外的应用很广泛，而国内在塑料改性方面应用较少，应该充分挖掘其新的用途，开拓新的应用领域。

 

大冶市锦鹏摩擦材料有限公司主营：黄铜矿粉 泡沫铁粉 铬铁矿 轮胎粉 针状硅灰石粉;欢迎与我们联系！
手机版：硅灰石在聚丙烯改性中的研究