刚性纳米填料对塑料增韧的作用

刚性纳米填料对塑料增韧的作用陈老师、赵老师、谭老师（浙大国家大学科技园哲博检测中心，杭州310013，[e-mail]）提高塑料韧性一直是高分子材料科学的重要课题和应用研究的热点。如何能在既增加填充量，明显降低塑料材料生产成本的同时，显著提高其材料的缺口冲击韧性、力学模量和耐热性等，提高塑料材料的使用性能，这即是近年来人们所十分关注的关于“刚性填料粒子增韧塑料材料”的热门课题。然而增韧技术发展至今，在对弹性体及非弹性体粒子增韧机理上，人们对有些实验现象的解释尚不能令人十分满意。塑料复合材料或共混材料的增韧机理对现有塑料复合材料及共混材料性能的改善、性能的提高，对新型塑料复合材料或共混材料的制造和应用，特别是对于刚性填料粒子增韧塑料复合材料的制造和应用具有重要指导意义。非弹性体刚性增韧材料的开发与研究目前很活跃．无论是其机理、种类．还是改性效果，都取得了十分迅速的进步。非弹性体刚性增韧材料可分为无机刚性增韧材料和有机刚性增韧材料两大类、其中以纳米增韧材料最为重要。本文由几位高分子材料老师综述了纳米增韧填料的作用和影响因素，并举了丰富的实验例子。1.纳米粒子增韧填料纳米材料是指粒度小于100nm的一类材料，由于其粒度十分小，因而原有的某些性能，如声、光、电、磁及热等会发生转变在塑料增韧改性中，纳米材料的改性效果好，且效率高，即使加入量不大，但增幅却很大。一般加人量在l0份以下，冲击强度增幅最高可达5倍以上．而且．其增韧与增强同步进行。需要注意的是、纳米材料的比表面积十分大。粒子问因引力而极易凝聚。为使其很好分散．必须加人分散处理剂分散效果的好坏．直接影响其改性效果的发挥。纳米材料的增韧机理如下：a．纳米粒子均匀地分散在基体之中。当基体受到冲击时，粒子与基体之问产生微裂纹（银纹)：同时粒子之问的基体也产生塑性变形，吸收冲击能，从而达到增韧的效果b．随着粒子粒度变细．粒子的比表面积增大．粒子与基体之间接触界面增大，材料在受到冲击时，会产生更多的微裂纹和塑性变形从而吸收更多的冲击能，增韧效果提高。c.当填料加人量达到某一临界值时．粒子之间过于接近材料受冲击时产生微裂纹和塑性变形太大几展有宏观应力开裂，从而使冲击性能下降。下面举几个纳米材料增韧的例子。例l：PA6／纳米粘土PA695％纳米牯土(1nm)4．2％此配方冲击强度提高l倍例2：PS／纳米Al2O3PS85％Al2O3(0．5um)15％此配方冲击强度提高3倍。例3：LDPE／(SiC／Si3N4)LDPE95％SiC／Si3N(20tun)5％此配方冲击强度提高2倍。2．表面优化处理的纳米粒子填料这类填料是指用高效表面处理剂处理过的一类纳米填料。经过表面处理的纳米粒子和橡胶具有更好的相容性，均匀性也大大增加。表面处理剂主要为表面活性剂、高教偶联剂及相容剂等。对于同一填充体系，不处理或用一般表面处理剂处理，其冲击强度会下降；而用上述高效表面处理剂处理冲击强度反而升高，只是增高幅度不如弹性体。这类优化处理过填料的增韧机理为：表面处理剂在基体与填料之间形成一个弹性过滤层．可有效地传递和松驰界面上的应力，更好地吸收与分散外界冲击能。2．1表面活性剂常用低分子量聚醚型等表面活性剂，加入量一般为5％～10％左右。例如：PP／碱土金属填充体系PP50％碱土金属盐42％低分子聚醚8％此配方冲击强度比未填充可提高l倍左右。2．2．大分子、高分子偶联剂大分子和高分子型偶联剂的偶联效果远远高于低分子偶联剂。大分子偶联剂的代表品种为NTCA．它由三种有机物合成例如．在PVC／CaCO3（80／20）填充体系中，加入2％大分子偶联剂，冲击强度不但不下降，反而会提高35％左右高分子偶联剂为高聚物固体偶联剂．其加人量为lO份左右。2．3复合偶联剂复合偶联剂是指两种或两种以上小分子偶联剂，用复合偶联剂处理的填充体系，可使单一偶联剂引起冲击强度下降的填充体系反而有所提高例如：PP／CaCO3填充体系PP68％CaCO330％NDE1％ON3301％注：NDE为烷氧焦磷酸型钛酸酯(主偶联剂)ON330为端口恶唑啉聚醚（辅偶联剂)此配方的冲击强度提高1倍左右。2.4相容剂相容剂不仅对树脂间共混有促进分散作用，对填充体系也有促进分散的功效。例如，对于PP+CaCO3(20％)+钛酸酯(1％)体系，其冲击强度下降；而对PP+CaCO3(20％)+相容剂(1％)体系．其冲击强度确有明显提高。