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纳米CaCO3/聚合物复合材料及其在建筑塑料中的应用研究北京化工大学材料科学与工程学院王国全赵红英北京化工大学教育部超重力工程研究中心陈建峰曾晓飞摘要：研究了纳米CaCO3/PVC/CPE以及纳米CaCO3/PP/SBS复合材料的力学性能，结果表明：纳米CaCO3对PVC共混体系具有显著的增韧效果，对PP共混体系也有一定的增韧效果。并研究了纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料在PVC门窗异型材中的应用。关键词：纳米CaCO3；PVC；PP；增韧；复合材料；PVC门窗异型材1前言由于纳米粒子具有巨大的比表面积和特殊的表面特性，因而具有一系列特殊性能。采用纳米无机粒子制备聚合物基复合材料，可获得补强、增韧等改性效果。在各种纳米级无机粒子中，纳米级CaCO3因其应用前景广泛且价格较低，而受到了更多的关注。北京化工大学教育部超重力工程研究中心采用超重力法研制了纳米级CaCO3，并已成功地实现了工业化生产。研究纳米CaCO3增韧PVC及PP复合材料。采用纳米CaCO3粒子（无机刚性粒子）对聚合物进行增韧，属于非弹性体增韧体系。与单纯采用弹性体（如CPE、SBS等）的增韧改性相比，采用纳米CaCO3粒子增韧有诸多优越性。传统的弹性体增韧，在提高材料韧性（冲击强度）的同时，会使其刚性（模量）下降。而采用纳米粒子进行增韧，则可使塑料的韧性和刚性得到全面提高。2实验由于纳米CaCO3增韧PVC及PP体系属于非弹性体增韧，要求基体本身具有一定的韧性，故PVC或PP中应添加少量弹性体，在PVC中可添加CPE，在PP中可添加SBS。本研究制备了纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料及纳米CaCO3/PP/SBS复合材料，结果表明，纳米CaCO3粒子的添加使材料获得了显著的增韧效果。并将纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料应用于PVC门窗异型材，使PVC门窗异型材的性能得到了全面的提高。2.1原材料（1）纳米CaCO3：北京化工大学超重力工程技术研究中心采用超重力法技术制成，平均粒径30nm，对其进行湿法表面改性后，又进一步进行了预处理。（2）PVC树脂：SG－5型，北京化工二厂生产。（3）氯化聚乙烯（CPE）：氯含量36％。（4）PP树脂：新疆克拉玛依石化公司生产。（5）SBS：岳阳石化公司生产。（6）其它各种助剂（稳定剂、加工助剂）：均为工业级。2.2实验设备及方法实验室小试制备的纳米CaCO3/聚合物复合材料样品，采用单螺杆挤出制样机制样。冲击性能测试采用简支梁冲击试验机，测试方法按GB1043－79《塑料简支梁冲击试验方法》进行。拉伸及弯曲性能测试采用Instron拉伸试验机。PVC门窗异型材工业性试验在异型材生产厂进行；性能测试按照GB8814－1998《门窗框用硬聚氯乙烯（PVC）型材》的规定进行。3结果与讨论3.1纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的抗冲击性能表1纳米CaCO3用量与PVC/CPE缺口冲击强度的关系样品编号主要物料用量(质量份)缺口冲击强/(kJ/m2)度PVC纳米CaCO3CPE11000814.921004853.731008881.4研究了纳米CaCO3的不同用量对纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的缺口冲击强度的影响。采用单螺杆挤出制样机制备单缺口样条，测试方法按GB1043－79进行，结果如表1所示。表1结果表明，随着纳米CaCO3加入量的增大，试样的缺口冲击强度显著增大。当PVC：纳米CaCO3：CPE的质量比为100：8：8时，复合材料试样的缺口冲击强度可达到814kJ/m2，比不加纳米CaCO3的试样提高了4.46倍，这表明纳米CaCO3对PVC复合材料有显著的增韧作用。为提高纳米CaCO3/聚合物复合材料的性能，关键是要使纳米粒子在聚合物中分散均匀。然而纳米粒子的表面能很高，若将未经适当处理的纳米CaCO3直接添加到聚合物中，纳米粒子极易聚体成团，无法发挥增韧作用。本研究采用特殊的表面处理剂对纳米CaCO3颗粒进行表面改性，并进一步进行了预处理，制备的改性纳米CaCO3对PVC/CPE有显著的增韧效果。3.2纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的拉伸及弯曲性能纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的拉伸强度、断裂伸长率及弯曲弹性模量如表2所示。表2纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的拉伸及弯曲性能样品编号主要物料用量(质量份)拉伸强度/MPa断裂伸长率/％弯曲弹性模量/MPaPVC纳米CaCO3CPE11000838.861218021008838.61472210从表2可以看出，添加纳米CaCO3的试样，与未添加纳米CaCO3的试样相比，弯曲弹性模量有所增加。与表1数据对照，添加纳米CaCO3使冲击强度和弯曲弹性模量同时得到了提高，这正是纳米CaCO3粒子增韧的优点。从表2中还可以看出，添加纳米CaCO3的试样，与未添加纳米CaCO3的试样相比，拉伸强度基本持平；而断裂伸长率明显提高。3.3纳米CaCO3/PP/SBS复合材料的抗冲击性能纳米CaCO3/PP/SBS复合材料的缺口冲击强度如表3所示。表3纳米CaCO3/PP/SBS复合材料的缺口冲击强度样品编号主要物料用量(质量份)缺口冲击强度/(kJ/m2)PP纳米CaCO3SBS41000014.6510001046.8610021054.2实验结果表明，在PP/SBS共混体系中添加2份纳米CaCO3后，缺口冲击强度由46.8kJ/m2提高3到54.2kJ/m2，提高了15.8％，表明纳米CaCO3对PP也有一定的增韧作用。3.4纳米CaCO3/PVC复合门窗异型材的性能在异型材生产厂进行了纳米CaCO3/PVC复合门窗异型材的工业性试验。将2.6份经预处理的纳米CaCO3添加于工业性试生产配方中，挤出了80系列推拉窗框型材。型材的性能由国家化学建材测试中心测试，测试结果如表4所示。表4纳米CaCO3/PVC复合门窗异型材的性能项目国标要求测试结果硬度/HRR≥8592.2拉伸屈服强度/Mpa≥37.042.6断裂伸长率％≥100157弯曲弹性模量/Mpa≥19602567简支梁缺口冲击强度(23±2℃)/(kJ/m2)≥4062.4简支梁缺口冲击强度(-10±1℃)/(kJ/m2)≥1572.0维卡软化温度/℃≥8385.4氧指数％≥3845.5低温落锤冲击破坏/(个/10次)≤1/100/10加热后状态无气泡、裂痕、麻点无气泡、裂痕、麻点加热后尺寸变化率/％±2.5-2.3经试验，添加纳米CaCO3的型材在保证低温落锤冲击性能的同时，简支梁缺口冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率、率曲弹性模量与未添加纳米CaCO3的型材相比都有明显提高。纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料还可应用于PVC管材。经进一步研究开发，纳米CaCO3/PP/SBS复合材料也可在PP管材中获得应用。4结论（1）纳米CaCO3/PVC/CPE复合材料的缺口冲击强度达到81.4kJ/m2，比未添加纳米CaCO3的PVC/CPE复合体系提高4.46倍，表明纳米CaCO3对PVC/CPE有显著的增韧作用；同时，复合材料的弯曲弹性模量也得到提高，表明纳米CaCO3增韧PVC/CPE作为非弹性体增韧，可使复合材料的韧性和刚性同时得到提高。（2）纳米CaCO3对PP/SBS也有一定的增韧作用。（3）添加纳米CaCO3的型材在保证低温落锤冲击性能的同时，简支梁缺口冲击强度、拉伸强度、断裂伸长率、弯曲模量与未添加纳米CaCO3的型材相比都有明显提高。原载《新型建筑材料》2002年第5期