硅灰石(wollastonite)是一種天然硅酸鹽礦物,主要化學成分為CaSiO3,化學性質穩定、硬度高、成本低。形態上為針狀、纖維狀,作為增強填料被廣泛應用于聚合物基復合材料。
1、改性硅灰石填充聚丙烯復合材料
將聚丙烯、未改性/改性硅灰石、抗氧劑按一定比例混勻,用雙螺桿擠出機共混擠出造粒,注塑制成標準測試樣條,測試樣條注塑的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、熱穩定性(維卡軟化點),并將復合材料沖斷面鍍金處理后進行SEM分析。
(1)性能對比
當硅灰石填充量為20%時,改性硅灰石填充聚丙烯復合材料與純聚丙烯材料的性能對比:
沖擊強度:硅灰石填充聚丙烯復合材料沖擊強度為9.21 kJ/m2,比純PP提升了86.11%;
拉伸強度:硅灰石填充聚丙烯復合材料拉伸強度為33.67 MPa,比純PP提高7.34%;
彎曲強度:硅灰石填充聚丙烯復合材料彎曲強度為45 MPa,比純PP提高了22.88%;
熱穩定性:硅灰石填充聚丙烯復合材料維卡軟化點為155.4℃,較純PP提升了10.6%。
(2)SEM分析
未改性/改性硅灰石填充聚丙烯復合材料沖擊試樣斷面SEM
由未改性/改性硅灰石填充聚丙烯復合材料沖擊試樣斷面SEM照片可以看出:
未改性硅灰石在聚丙烯基體內發生比較明顯的團聚,說明硅灰石與聚丙烯之間相容性很差;在樣條注塑沖擊斷面處出現了大量空穴,針狀硅灰石與聚丙烯基體之間有明顯的分界線,許多硅灰石粒子并沒有與聚丙烯很好的結合,導致了復合材料的力學性能較低。
經過改性后的硅灰石在聚丙烯基體中分散的更好,空穴基本消失,大量的硅灰石都粘附于基體之中,改性硅灰石與聚丙烯基體的界面相容性好。
2、硅灰石常用改性劑
硅灰石常用的改性劑有硅烷偶聯劑、硬脂酸、鈦酸酯等。
(1)硅烷偶聯劑和硬脂酸復合改性硅灰石
利用硅烷偶聯劑KH-570和硬脂酸復合改性硅灰石,將固含量20%的硅灰石加入到裝有無水乙醇的三口瓶中,加入一定量的復合改性劑(硅烷偶聯劑KH-570占復合改性劑的50%),復合改性劑的用量為硅灰石質量的4%;80℃下機械攪拌2h,攪拌速度為600r/min;抽濾,80℃真空干燥8h后得到復合改性硅灰石。
硅烷偶聯劑水解生成硅醇后與硅灰石表面的羥基反應,在其表面形成一層偶聯劑分子膜,使硅灰石表面有機化。硬脂酸電離提供的酸性環境有利于該反應的進行,同時能在硅灰石表面形成一層硬脂酸分子包覆。故用二者復合改性能進一步提高改性硅灰石的親油性能。制得的改性硅灰石疏水性能較單一改性效果好,最大水接觸角達143.25°。
改性后的硅灰石表面包覆有改性劑分子層,填充聚丙烯時,包覆在其表面的高分子層會與聚丙烯分子鏈相互纏結,能有效的增強硅灰石與聚丙烯之間的作用力,增強硅灰石與聚丙烯的相容性。經過改性的硅灰石在聚丙烯基中分散性更好,填充聚丙烯制得的復合材料性能會有顯著的增強。
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