摘要：采用熔融共混的方法制备了硅灰石粉填充改性聚丙烯(PP)复合材料。通过力学性能、溶体流动速率(MFR)及DSC等测定，考察了硅灰石粉对PP力学性能、热性能及加工性能的影响。结果表明：用硅灰石粉填充改性PP，大大提高了PP/硅灰石粉复合材料的模量，缺口冲击强度的敏感性得到明显改善；改性PP的耐热温度、硬度及加工性能得到一定提高，但其强度有所降低。
关键词：聚丙烯；硅灰石粉；改性；复合材料；性能
聚丙烯(PP)是五大通用塑料之一，具有密度低、耐腐蚀、力学性能优异等特点，广泛应用于国民经济及人们日常生活的各个领域。但PP的最大缺陷是冲击强度低，尤其是低温冲击性能较差，而且其尺寸稳定性及耐候性亦较差，刚性低，使其应用范围受到一定限制。为了改善PP的上述缺陷，国内外许多学者对其进行了大量改性研究，其中以针状硅灰石粉填充改性PP近年来得到了快速发展[1]。无机填料用于塑料改性可以得到具有功能性和高商品价值的复合材料。硅灰石粉用于塑料的填充增强改性，能够与石棉、滑石粉、云母等无机填料相媲美。硅灰石开采于第二次世界大战期间，开始只作为电焊条和陶瓷的原料，上世纪七十年代开始用于塑料改性，如对环氧树脂、酚醛树脂、热固性聚酯、乙烯基类树脂溶胶、聚酰胺、聚氯乙烯和PP等的填充及增强。在提高材料的拉伸强度和挠曲强度等方面，硅灰石粉优于其他无机填料，因此发展极为迅速[2-3]。硅灰石是唯一的天然针状白色晶体，有如下特性：(1)不带结晶水，吸水性低；(2)熔点高，热膨胀系数小，耐热稳定性较高；(3)耐药品、耐候性好；(4)对人畜无害；(5)电性能好。特别是美国公布了硅灰石的无毒性以后，常作为玻璃纤维、滑石粉和石棉等的替代品，越来越受到重视。本实验采用熔融共混法制备了PP/硅灰石粉复合材料，考察了硅灰石粉对PP力学性能、热性能及加工性能的影响[4-5]。
1实验部分
1.1原料
PP，注射级，溶体流动速率4.67g/10min，辽阳石化公司；硅灰石粉，325目，吉林省梨树大顶山硅灰石有限责任公司。
1.2仪器与设备
高速混合机，GH-10，北京塑料机械厂；同向双螺杆挤出机，TES-20/600-4-42，南京广达化工设备有限公司；注射机，WK-100，山西汾西机电有限公司；微机控制电子万能试验机，CMT4140，深圳市新三思材料检测有限公司；冲击试验机，XJJD5，承德金建检测仪器有限公司；差示扫描量热仪(DSC)，DSC-2C，美国PEKIN-ELMER公司；邵尔D硬度计，营口市材料试验机厂；熔体流动速率仪，MFI-1111，承德金建检测仪器有限公司。
1.3试样制备
对硅灰石粉填充改性PP进行一系列配方实验表明，填充量在30%~40%时，PP/硅灰石粉复合材料的综合性能较佳，因此本实验的硅灰石粉用量为35%。将硅灰石粉、PP与适量改性助剂经高速混合机混合，然后经同向双螺杆挤出机挤出、切粒，最后用注射机将PP/硅灰石粉复合材料注塑成标准试样，以备性能测试。1.4性能测试与表征拉伸性能按GB/T1040—1992测定；弯曲性能按GB/T9341—2008测定；简支梁冲击强度按GB/T1043—2008测定；熔体流动速率按GB/T3682—2000测定；DSC测定：采用差示扫描量热仪测定PP及PP/硅灰石粉复合材料的热性能。
2结果与讨论
2.1硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料力学性能的影响
2.1.1对拉伸性能和弯曲性能的影响表1为硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料拉伸性能和弯曲性能的影响。从表1可以看出，当硅灰石粉用量为35%时，PP/硅灰石粉复合材料的拉伸强度和弯曲强度有所降低，而其拉伸模量和弯曲模量则大幅提高。通常情况下，在PP中填充无机填料时，其强度明显下降，特别是在填充量较高的情况下。而本实验用35%的硅灰石粉填充PP，其拉伸强度和弯曲强度下降幅度不大(均不到10%)，在不影响使用强度的前提下，复合材料的模量和硬度大幅提高，即刚性增大。这是由于硅灰石粉本身硬度高、刚性大，故将其填充到PP中，使PP基体树脂分子链的相对运动受到限制，导致复合材料的刚性提高。2.1.2对冲击强度的影响表2为硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料简支梁冲击强度的影响。从表2可以看出，硅灰石粉用量为35%时，虽然PP/硅灰石粉复合材料的无缺口冲击强度大幅降低，但其缺口冲击强度却有所提高，有力地克服了PP对缺口较为敏感(尤其是在低温下)的缺陷，这可能是硅灰石粉的针状结晶结构及其所具有的成核作用影响了PP的结晶过程；另外，硅灰石粉的针状结晶形态在PP基体中的充分定向排列，发挥了分散、传递应力的作用，导致其缺口冲击强度不降反升。
2.2硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料热性能的影响
表3为硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料热性能的影响。从表3可以看出，硅灰石粉用量为35%时，对PP的结晶温度和熔融温度无明显影响，但硅灰石粉的加入使改性PP的热变形温度和硬度有一定提高，这对提高PP的耐热性能、扩大PP的应用范围具有重要意义。
2.3硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料加工性能的影响
表4为硅灰石粉对PP/硅灰石粉复合材料加工性能的影响。通常在PP等高分子材料中加入无机填料，其复合材料的熔体流动速率均有不同程度下降。由于硅灰石粉本身具有硅烷偶联剂的效果，其复合材料的熔体流动速率下降不大，尚可进行成型加工，但其产品外观和质量较差。当有少量改性助剂存在时，复合材料的熔体流动速率有较大幅度提高，如表4所示，这大大改善了复合材料的成型加工性能。从表4还可以看出，硅灰石粉的加入，降低了PP/硅灰石粉复合材料的成型收缩率，从而可以明显降低复合材料成型制品的翘曲和变形，进一步改善了复合材料的加工性能。
3结论
(1)硅灰石为针状晶体结构，可以作为短纤维填充剂使用；采用硅灰石粉填充增强PP，对充分利用我国矿产资源、降低增强塑料成本、提高经济效益具有重要意义。(2)硅灰石粉填充改性PP大幅提高了复合材料的模量，缺口冲击强度的敏感性得到明显改善，但其强度有所下降，可进一步采用界面处理技术，改善其界面结构，从而提高其强度。(3)硅灰石粉填充改性PP提高了成型制品的耐热性和尺寸稳定性，降低了制品的成型收缩率，对拓宽PP的应用范围具有积极意义。
参考文献：
[1]梁基照,阮锦泉.PP/硅灰石复合材料力学性能的研究[J].塑料科技,2013,41(10):34-38.
[2]朱静安,鞠勋疆,孔繁兴,等.硅灰石填充改性聚丙烯结晶行为、形态结构及性能[J].大连理工大学学报,1991,31(4):405-410.
[3]项素云,朱静安,包全中,等.硅灰石粉填充改性聚丙烯的研究[J].塑料科技,1987(2):21-25.
[4]杨树竹.改性硅灰石对PP复合材料性能的影规模经济论文响[J].现代塑料加工应用,2015,27(2):17-19.
[5]贺昌城,任世荣.硅灰石对PP力学性能的影响[J].工程塑料应用,1999,27(4):9-11.
作者：陈科 单位：湖南环境生物职业技术学院 南华大学化学化工学院
相关专题：灌溉排水学报 小木虫 造船技术 期刊
