滑石粉对聚丙烯性能的影响

滑石粉对聚丙烯性能的影响—第1页滑石粉对聚丙烯性能的影响摘要本课题分别采用偶联剂KH550、成核剂、不同种类的相容剂(PP-g-MAH,PE-g-MAH,POE-g-MAH)对PP/滑石粉材料进行改性，并且将不同种类的相容剂复配或将相容剂与其他助剂进行复配，讨论其对材料综合性能的影响，同时研究滑石粉的添加量对PP复合材料性能的影响。结果发现，偶联剂KH-550与相容剂对PP综合性能的改善作用较为显著；并且当相容剂9904与相容剂9805复配时，PP的缺口冲击强度提高到95.7J/m。关键词：聚丙烯(PP)；滑石粉；相容性；力学性能前言滑石粉是一种由层状硅酸盐晶体组成的矿物，采用滑石粉填充的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。然而由于滑石粉与聚丙烯两相之间界面的亲和性不强，他们之间的相容性问题往往导致聚丙烯的冲击性能降低，因此，改善滑石粉与聚丙烯之间的相容性，改善滑石粉填料在高聚物基料中的分散状态，从而提高复合材料的物理力学性能是一个很重要的课题。1文献综述为了改善滑石粉与聚丙烯之间的相容性，常使用偶联剂对滑石粉表面进行改性，以增加树脂和填料间的粘结力，改善和提高复合材料的各种性能。马长宝[1]经研究发现，滑石粉经偶联剂处理后，PP/滑石粉复合材料的力学性能增强，并且混合偶联剂效果优于单一偶联剂。夏占明等[2]将滑石粉用可接枝PP的KH-570活化后，采用适当的过氧化物反应挤出，可发生接枝反应，复合材料具有比传统偶联法具有更高的力学性能，并且此方法易于工业化。然而，偶联剂的官能团与非极性的PP聚合物间则难有较强的相互作用，因此，采用改性聚烯烃作为界面改性剂的应用日益广泛，如丙烯酸接枝聚丙烯和马来酸酐接枝聚丙烯等。一般认马来酸酐接枝的聚丙烯(PP-g-MAH)[3,4]界面改性效果较好。仇武林等[5]研究了PP-g-Si与KH550对聚丙烯/滑石粉体系的增容效果，发现以硅烷接枝聚丙烯(PP-g-Si)作为偶联剂时，滑石粉/PP体系复合材料的性能得到了显著提高。另外，也可采用成核剂、分散剂等其他助剂与相容剂或偶联剂进行复配，对PP、滑石粉复合材料进行改性。陈兴江等[6]发现PP-g-MAH使复合材料的断裂伸滑石粉对聚丙烯性能的影响—第2页长率明显降低，β成核剂可显著提高复合材料的冲击韧性和断裂伸长率；马来酸酐接枝聚丙烯与α成核剂复配对复合材料强度、刚度和热变形温度的改善具有协同性；马来酸酐接枝聚丙烯与β成核剂复配可获得更好的综合力学性能。徐东等[7]采用偶联剂、成核剂及分散剂等为助剂，制备出的PP具有优异的力学性能和流动性，易于加工成型，并且耐热性能和尺寸稳定性都较好，可有效降低成产成本。2实验部分2.1实验原材料聚丙烯(PP)：K7926，上海赛科石油；相容剂(PP-g-MAH)：9801，接枝率1％；相容剂(PE-g-MAH)：9805，接枝率0.8％；相容剂(POE-g-MAH)：9904，接枝率0.9％，上海日之升新技术发展有限公司；滑石粉(Talc)：CZ-5(5000目)，上海诚志化工；偶联剂：KH550；以及抗氧剂，润滑剂等助剂。实验配方如表2.1所示。表2.1聚丙烯配方总表编号聚丙烯相容剂成核剂偶联剂滑石粉抗氧剂润滑剂K7926980198059904KH550CZ-51010168TAF1#80200.20.20.32#755200.20.20.33#755200.20.20.34#755200.20.20.35#800.2200.20.20.36#7550.2200.20.20.37#7550.1200.20.20.38#7550.10.2200.20.20.39#7550.3300.20.20.310#752.52.50.2200.20.20.311#752.52.50.2200.20.20.312#752.52.50.2200.20.20.32.2实验仪器及设备双螺杆挤出机：KS36，昆山科信机械设备有限公司；注塑机：HTF80X1，宁波海天注塑机厂；电子万能试验机：CMT6104，深圳新三思材料检测有限公司；摆锤式冲击试验机：XC-2.75，承德精密试验机有限公司。2.3试样制备首先用偶联剂将滑石粉进行表面处理，然后将处理后的滑石粉、PP、相容剂、偶联剂等其他助剂共混，在210～220℃下经双螺杆挤出机熔融挤出及储物经循环水冷却切粒干燥，螺杆转速与喂料速率分别设为40Hz和18Hz，最后在190℃滑石粉对聚丙烯性能的影响—第3页注塑成ASTM标准样条。2.4性能测试拉伸强度：按ASTMD638测试，拉伸速度50mm/min；弯曲强度：按ASTMD790测试，弯曲速度2mm/min；冲击强度：按ASTMD265测试，温度：23℃。3结果与讨论3.1偶联剂、相容剂及成核剂对聚丙烯/滑石粉体系材料性能的改善由表3.1可知，从1#与5#性能对比可以看出，偶联剂KH550单独加入时，缺口冲击强度由55.7J/m提高到69.0J/m，拉伸强度也略有提高；这是因为偶联剂可以和滑石粉表面的羟基发生作用，形成有力的化学键合，使滑石粉表面附有偶联剂，而偶联剂的另一部分与PP基体的相容性较好，从而提高滑石粉与PP基体的相容性；而当相容剂9801(PP-g-MAH)与偶联剂KH550同时加入时，缺口冲击强度提高到76.5J/m；PP-g-MAH中的酸酐基团与滑石粉表面偶联剂KH550的极性基团产生亲和力，使得基体树脂PP与滑石粉之间的界面黏结有较大改善，材料的缺口冲击强度得到很大提高。表3.1偶联剂、相容剂及成核剂对聚丙烯/滑石粉体系材料性能的影响编号成分拉伸强度(MPa)弯曲强度(MPa)弯曲模量(MPa)缺口冲击强度(J/m)熔融指数(g/10min)密度(g/cm3)硬度1#空白24.535.52165.755.723.41.032922#980127.137.02134.548.518.61.042983#980522.629.11440.169.012.61.047874#990426.035.51884.170.413.21.026975#KH55025.234.01999.869.220.61.035896#KH550/980124.634.21910.276.518.01.020907#成核剂/980126.136.72048.753.112.01.033958#KH550/成核剂/980127.038.62140.750.218.21.03099在聚丙烯材料中，成核剂的作用主要是细化材料晶粒，提高聚丙烯的结晶性，从而改善材料的力学性能。而在本体系中，滑石粉自身既可以作为增强填料，也可以作为成核剂，因此成核剂的加入对聚丙烯的综合性能影响较小，由表3.1中的7#与8#性能数据也可以看出。3.2滑石粉添加量对聚丙烯性能的影响滑石粉对聚丙烯性能的影响—第4页表3.2滑石粉添加量对聚丙烯性能的影响编号滑石粉份数拉伸强度(MPa)弯曲强度(MPa)弯曲模量(MPa)缺口冲击强度(J/m)熔融指数(g/10min)密度(g/cm3)硬度6#2027.038.82148.849.822.81.039989#3027.541.62538.442.317.41.11399由表3.2可以看出，当滑石粉含量由20%提高为30%时，聚丙烯的弯曲模量有所提高，因为滑石粉是片层结构，模量较高，在聚丙烯基体中起到增强的作用；而缺口冲击强度会降低，因为滑石粉与聚丙烯基体的相容性不好，填充量较大时，粒子间过于相互接近，造成滑石粉在PP基体中的分散性能下降，进而导致强度降低。3.3相容剂的复配对聚丙烯/滑石粉体系材料性能的改善由表3.3可知，相容剂9801/9805与9801/9904复配体系的缺口冲击强度相差不大，分别为74.6和76.8J/m；而当相容剂9805与9904(PE-g-MAH与POE-g-MAH)复配时，聚丙烯的缺口冲击强度达到最高，比1#提高了71.8%，但弯曲强度和拉伸强度下降较快；这是因为POE是聚烯烃类的增韧剂，可大大改善聚丙烯的韧性，因此材料的刚性会降低，从而拉伸强度和弯曲强度会有所降低。表3.3相容剂的复配对聚丙烯/滑石粉体系性能的影响编号相容剂拉伸强度(MPa)弯曲强度(MPa)弯曲模量(MPa)缺口冲击强度(J/m)熔融指数(g/10min)密度(g/cm3)硬度1#--24.535.52165.755.723.41.0329210#9801/990425.235.21888.374.615.01.0439311#9801/980525.936.11945.276.816.61.0379612#9805/990422.829.11403.695.715.21.036854总结偶联剂对滑石粉的表面改性对PP的性能改善比较显著，而偶联剂KH-550与相容剂的复配又进一步提高了PP的缺口冲击强度；当滑石粉含量增加到30%时，聚丙烯的缺口冲击强度降低，拉伸和弯曲强度提高；所使用的成核剂对PP的性能影响较小；采用两种相容剂进行复配时，聚丙烯的缺口冲击性能可提高到75J/m左右；并且当相容剂9904与相容剂9805复配时，所得PP的缺口冲击强度提高到95.7J/m。滑石粉对聚丙烯性能的影响—第5页参考文献[1]马长宝，改性滑石粉填充聚丙烯的研究，广州化工，2011(39)4：92-94[2]夏占明，过氧化物引发对硅烷活化滑石粉/聚丙烯体系的增容效果[3]苏宇，伍青，聚丙烯的化学接枝改性，合成树脂及塑料，2001[4]张立峰，郭宝华，张增明，马来酸酐接枝聚丙烯的固相合成以及酸酐含量的测定，清华大学学报(自然科学版)，2001，(10)：5-8[5]仇武林，麦堪成，曾汉民，PP-g-Si与KH550对聚丙烯/滑石粉体系的增容效果，高分子材料科学与工程，2000(16)5：161-162[6]陈兴江，罗筑，刘一春等，马来酸酐接枝聚丙烯与成核剂提高聚丙烯/滑石粉复合材料性能的研究，塑料工业，2010(38)8：59-62[7]徐东，徐永，罗田元，一种聚丙烯复合材料及其制备方法：中国，102329457，2012-01-25