广源集团：改性硅灰石在聚丙烯树脂中的应用研究

慧正资讯：硅灰石被认为是一种质优价廉的天然无机矿物微纤维，通常呈现片状、放射状或纤维状集合体。天然硅灰石通常呈现白色或灰白色，主要成分是偏硅酸钙, 密度2.78-2.91g/cm3，硬度4.5-5.0。 硅灰石具有许多优良性能，包括无毒、耐化学腐蚀、吸油性和吸水性低、突出的力学性能、良好的热稳定性和尺寸稳定性等。由于这些独特的性质，硅灰石在高分子树脂复合改性领域表现出巨大的应用潜力，可以改善复合材料的尺寸稳定性和表面光滑性，提高复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能。 但是，硅灰石微粉的表面性质与常用树脂基体显著不同。为了充分发挥硅灰石粉自身独特的针状结构和优异的物理化学性能，非常有必要对其进行表面化学改性使其和树脂基体表面性质相同，从而实现对树脂的增强、增量和改进制品性能的作用。 本研究采用低聚短链烷基硅烷对江西广源化工生产的硅灰石GY-4000进行表面改性，并将改性后的硅灰石和聚丙烯树脂复合，研究表面改性硅灰石对PP树脂基复合材料的密度、熔融指数、热变形温度、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等综合性能的影响。 1  实验部分 1.1 改性硅灰石粉体制备 称取5kg干燥后硅灰石粉加入到高速混合机中进行表面改性，加入计量的低聚短链烷基硅烷，设置反应温度为50℃，改性时间为20min，搅拌速度1250r/min，经过设定时间的高速搅拌后，反应产物经低速搅拌冷却出料。 1.2 PP树脂基复合材料制备 PP树脂基复合材料按照如下配方进行生产制备， PP：3000g，硬脂酸：30g，钙锌稳定剂：15g，复合抗氧剂：6g，硅灰石：分别为450g、600g、750g和900g。将配好的各种原材料在高速搅拌机中混料10min保证各物料组分混合均匀，采用双螺杆挤出机在挤出温度为175-190℃下进行挤出造粒，将粒料在真空烘箱中烘干24h以上，然后采用注塑机在注塑温度200-220℃和压力50-70MPa进行注塑成型，注塑得到的标准样条静置24h进行性能测试。 1.3 性能测试与结构表征 按照GB/T 1033.1-2008测试样品的密度；按照GB/T 3682-2000测试熔融指数，温度230℃，压力设为2.16kg；按照GB/T 1633-2000测试样品的热变形温度；按照GB/T1040-2006测试样品的拉伸性能，拉伸速度为10mm/min；按照GB/T9341-2008测试样品的弯曲强度和弯曲模量，试验速度为2mm/min。 2  结果与讨论 2.1 改性硅灰石对PP树脂基复合材料密度的影响 图1为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料密度的影响。从图中可知，与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入增大了复合材料的密度，且密度与硅灰石的添加份数成正比关系。填充份数为0时，纯树脂的密度为0.898g/cm3,填充份数为20时，PP树脂基复合材料的密度增长到0.997g/cm3，进一步增大填充份数为30时，PP树脂基复合材料的密度增长到1.049g/cm3。 图1 硅灰石含量对PP树脂基复合材料密度的影响 2.2 改性硅灰石对PP树脂基复合材料熔融指数的影响 图2 硅灰石含量对PP树脂基复合材料熔融指数的影响 图2为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料熔融指数的影响。测试结果表明，纯PP树脂的熔融指数为2.76g/10min,填充份数为20的PP树脂基复合材料的熔融指数为2.788g/10min，填充份数为30的PP树脂基复合材料的熔融指数为2.676g/10min。与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入对PP树脂基复合材料的熔融指数未产生显著影响，说明高含量硅灰石的填充不会使PP树脂基复合材料的加工流动性变坏，这对于树脂基复合材料的加工成型具有重要的意义。 2.3 改性硅灰石对PP树脂基复合材料热变形温度的影响 图3为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料热变形温度的影响。从图3可以清楚的知道，改性硅灰石的加入显著改善了PP树脂基复合材料的热性能。与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入明显提高了PP树脂基复合材料的热变形温度，硅灰石添加份数为20份时其热变形温度达到最高82.5℃，提升幅度为9.9℃(13.6%)，说明改性硅灰石的加入提高了材料的热稳定性，有利于PP树脂基复合材料及其器件在较高温度下的使用安全和寿命。 图3 硅灰石含量对PP树脂基复合材料热变形温度的影响 2.4 改性硅灰石对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响 图4为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料拉伸强度的影响。从图4可知，纯PP树脂的拉伸强度为22.818MPa,填充份数为20的PP树脂基复合材料的拉伸强度为21.555Mpa,填充份数为30的PP树脂基复合材料的拉伸强度为20.251MPa。结果表明，与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入轻微降低了PP树脂基复合材料的拉伸强度，说明硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度。 图4 硅灰石含量对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响 2.4 改性硅灰石对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响 图4为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料拉伸强度的影响。从图4可知，纯PP树脂的拉伸强度为22.818MPa,填充份数为20的PP树脂基复合材料的拉伸强度为21.555Mpa,填充份数为30的PP树脂基复合材料的拉伸强度为20.251MPa。结果表明，与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入轻微降低了PP树脂基复合材料的拉伸强度，说明硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度。 图5 硅灰石含量对PP树脂基复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响 图5为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响。与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入明显提高了PP树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量，硅灰石添加份数为25份时PP树脂基复合材料的弯曲强度最大为35.89 MPa，提升幅度为3.541MPa（10.9%）,硅灰石添加份数为30份时PP树脂基复合材料的弯曲模量最大值1909.5Mpa，增大了435.4MPa（34.2%）。 3  结论 采用低聚短链烷基硅烷对江西广源化工有限责任公司生产的硅灰石GY-4000进行表面改性，将制备的改性硅灰石作为填料与PP树脂复合制备出复合材料，详细研究了改性硅灰石对PP树脂基复合材料综合性能的影响。结果表明： （1）与纯PP树脂相比，改性硅灰石的加入增大了复合材料的密度，且密度与硅灰石的添加份数成正比关系。 （2）改性硅灰石的加入对PP树脂基复合材料的熔融指数未产生显著影响，说明高含量硅灰石的填充不会使PP树脂基复合材料的加工流动性变坏。 （3）改性硅灰石的加入显著改善了PP树脂基复合材料的热性能，有利于PP树脂基复合材料及其器件在较高温度下的使用安全和寿命。 （4）改性硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度，反而明显提高了PP树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量。