硅灰石在聚丙烯(PP)塑料改性方面的应用研究

摘要：通过硅烷改性剂表面处理的针状硅灰石可提高硅灰石疏水亲有机性，改善硅灰石在聚丙烯树脂中的分散性。填充后的聚丙烯材料在拉伸强度、弯曲强度、弹性模量以及弯曲模量等方面的性能有所提高，而在韧性方面有略微降低。同时材料的耐温性得到较大提高。

关键词：针状硅灰石 聚丙烯 热变形温度

硅灰石[CaSiO3 或 Ca3(Si3O9)]属于偏硅酸盐矿物，理论化学成分(质量分数)为 48.3％CaO、51.7％SiO2。 硅灰石通常呈针状、放射状、纤维状集合体。在硅灰石的结晶结构中，SiO4 四面体链和 CaO6 八面体柱沿 b 轴 方向相连，CaO 八面体柱和 SiO 骨架连接形成的复合单链成为硅灰石结晶构造的基本单元，由于它具有特殊 晶体形态、高白度、良好的介电性能和较高的耐热性能等特性，因此硅灰石能够被广泛应用于橡胶、陶瓷、塑 料、涂料和造纸等领域。

当前，随着塑料产业的蓬勃发展，塑料应用领域不断扩大。然而聚丙烯作为五大通用合成树脂中的一个 重要品种，在国内外的发展均十分迅速。在全球塑料用五大合成树脂中，聚丙烯的产量占有 1/4 左右的份额，

2006 年世界五大通用合成树脂的总产能将达到 1 亿 9 千万吨，其中聚丙烯 4878 万吨，占总产能的 25.6%。预 计未来几年，塑料的应量还会得到逐年增加，所以随着塑料制品在工程上的应用日益广泛，人们对于塑料改性 应用方面的研究不断地深入。

实验方法及过程

由于硅灰石属无机非金属材料，与有机高分子材料相容性较差，直接应用到高聚物当中时填充效果不明 显甚至会使部分材料性能下降，所以必须对其进行表面改性处理提高其疏水亲有机性，使粉体能够在聚丙烯树 脂中更好的均匀分散并与基体材料有很好的亲和性能。无机粉体表面处理通常选用的表面改性剂有：不饱和有 机酸、脂肪酸及其盐类、偶联剂等。偶联剂包括硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、锆酸酯类以及铝钛复合 类，经长期试验研究筛选以硅烷类偶联剂实验效果较为理想。

硅灰石表面改性处理

 将称量好的硅灰石加入高速搅拌机中启动搅拌并加热升温，待温度达到 80～100℃（不同改性剂活化温度 不同）要求下加入表面改性剂进行改性，改性时间约为 10min，可通过测定改性后的粉体吸油率、沉降值以及 活化度等指标评判其改性效果，本文对此不做详细解释和说明。

试样制备 

按照不同实验配方要求将改性硅灰石粉、PP 树脂加入双螺杆挤出机熔融造粒，挤出机工艺参数要求：主 机转速 300r/min；牵引速度 150r/min；机头温度 200℃；加热段 1～9 区的温度分别为 170℃，180℃，190℃，200℃，210℃，210℃，210℃，200℃；机头温度 200℃；物料 190℃。将造粒好的粒料置于 95℃鼓风干燥箱 内干燥 2h，然后用注塑机注塑成标准样条待检测。

性能测试

拉伸性能检测按照 GB/T1040-2006 测试，拉伸速率为 50mm/min；弯曲性能检测按照 GB/T9341-2000 测 试，弯曲速率为 2mm/min；热变形温度按照 GB/T1634-2004 测试。

实验结果与讨论

改性硅灰石添加量对 PP 复合材料性能影响

由表 1 可以看出，随着树脂中的硅灰石含量的增加，复合材料的冲击韧性呈下降趋势，但下降幅度不大；拉伸强度、弯曲强度、弹性模量和弯曲模量随着含量的增加变大。硅灰石特殊针状纤维结构，使其在复合 材料的刚性方面表现较为优越。复合材料中硅灰石含量不断增加的同时，粒子间的相互碰撞作用也会增加，碰 撞的结果会使部分粒子折断破坏其针状结构，从而造成长径比的减小继而影响到硅灰石对复合材料的增强效果。

硅灰石粒径对塑料改性的影响

不仅硅灰石添加量对复合材料性能产生影响，而且硅灰石的粒径也会对材料性能产生较大影响。由表 2 数据可以看出，不同粒径的硅灰石粉体对 PP 改性中的贡献有着明显不同：硅灰石粒度越大对材料的强度、刚 性方面贡献比较明显，粒径越细、长径比较小时对材料的韧性贡献较好。但是粒径过大时会与基体树脂结合中 存在微观分层现象使复合材料无法形成有机整体，不但不能提高其材料的力学性能，反而会造成制品内部缺 陷，容易造成制品应力性破坏，所以应根据制品要求悬着合适粒径的硅灰石进行填充改性。

硅灰石表面改性效果对材料性能的影响

      a 改性填充                                                       b 未改性填充

图 1 冲击断面扫描电镜对比图

 从图 1 电镜图片可清晰看到:改性针状硅灰石在 PP 复合材料中能够与基体树脂结合紧密如图（a），相 反时未改性的硅灰石与基体树脂结合松散、空隙明显。无机填料填充高分子材料时形成复合材料的性能，除了 与聚合物基体和填料固有性质外，其填料的表面特征对在复合材料中的性能有重要影响。如果填料的表面自由 能、界面张力较大不利于在基体树脂中的分散，选用硅烷偶联剂 SCA1113 改性针状硅灰石粉可以使硅灰石表 面自由能、界面张力会大幅下降，可明显提高其分散效果以及与基体树脂的结合力，有利于改善复合材料的性能。

改性硅灰石填充 PP 对复合材料耐温性贡献

 影响塑料制品使用的热性能主要为耐热温度和耐低温温度。耐热温度主要可用热变形温度、马丁耐热温 度及维卡软化点表示，耐低温温度一般用脆化温度表示。本实验主要以热变形温度作为衡量塑料耐热性能高低 的指标进行研究，以 HJMF-1250 改性硅灰石按不同比例添加 PPJ340 塑料制得复合材料并按标准要求测试其 热变形温度如表 3。 可见，针状硅灰石粉体在增强塑料的力学性能的同时，由于其本身优越耐温性可明显改 善塑料的耐温性，粉体添加 30%时热变形温度比纯树脂提高将近 60%，这样就会明显拓宽塑料的应用领域和 使用范围。

表 3  不同含量硅石灰下的复合材料测试变形温度

结 论

（1）资源丰富的针状硅灰石被充分利用到聚丙烯及其树脂的填充改性上后，复合材料的多项指标大幅度提 高，减少树脂用量，降低成本。

（2）硅灰石表面改性的效果直接影响其在树脂中的填充效果。

（3）根据实验要求选择合适的粒径及长径比的硅灰石才能达到理想效果，并非粒径越小长径比越大就能达到 理想效果.

（4）合适的添加比例才能体现出硅灰石针状纤维的特有性能。

（5）针状硅灰石对提高 PP 塑料的耐热性有比较直观的帮助，而且对材料的加工性能不会产生太大影响。

注：上海抚欣新材料科技有限公司，服务热线：021-56119709