重質(zhì)碳酸鈣硅灰石復(fù)合填料在pvc材料中的應(yīng)用

重質(zhì)碳酸鈣硅灰石復(fù)合填料在pvc材料中的應(yīng)用

廣泛用于塑料、橡膠等高科技材料、聚合物基材料和功能高官材料。經(jīng)過粉碎、分類和表面精煉后，廣泛用于非金屬礦物粉末。這些無機非金屬礦物填料的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)、粒度大小和粒度分布、顆粒形狀等決定其填充性能?，F(xiàn)代新型高聚物基復(fù)合材料不僅要求無機非金屬礦物填料具有增量和降低材料成本的功效,更重要的是具有補強和增強功能。因此,提高無機非金屬礦物填料的填充增強或補強性能是無機非金屬礦物填料加工技術(shù)最重要的研究課題之一。粒徑微細化、化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、表面活性和相容化被認(rèn)為是提高無機非金屬礦物填料的填充增強或補強性能的主要技術(shù)途徑。對于無機非金屬礦物填料的超細粉碎加工技術(shù)和單一無機填料的表面改性活化技術(shù)已經(jīng)進行了較多的研究,現(xiàn)有的超細粉碎和精細分級技術(shù)已基本上能夠滿足無機非金屬礦物填料粒徑微細化的要求,表面改性活化后的單一無機非金屬礦物填料也已在塑料、橡膠等高分子材料或高聚物基復(fù)合材料中得到應(yīng)用1實驗1.1(1)重碳沉積物粒度:(2)硅灰石粒度:(3)簡單混合重碳和硅灰石將前述重質(zhì)碳酸鈣和硅灰石樣品按1∶1的質(zhì)量比用攪拌機混合均勻而得,粒度:(4)簡單混合活性重碳酸和硅灰石將(3)所制的碳酸鈣和硅灰石簡單混合填料用硬脂酸和鈦酸酯偶聯(lián)劑進行表面改性活化而得,改性劑配方為(5)研磨和復(fù)合后的重質(zhì)碳硅灰石將(3)所制的碳酸鈣和硅灰石簡單混合填料用實驗室攪拌球磨機研磨20min而得,粒度:(6)改性劑的制備將(5)所制的研磨復(fù)合后的碳酸鈣/硅灰石填料用硬脂酸和鈦酸酯偶聯(lián)劑進行表面改性活化而得,改性劑配方為以上各實驗樣品的主要化學(xué)成分見表1。1.2填料的加入量填充PVC材料的基礎(chǔ)配方為:PVC樹脂100,三鹽5,硬脂酸鉛(PbSt)1,硬脂酸鋇(BaSt)1,硬脂酸(HSt)1,石臘1;填料加入量:30質(zhì)量份。用萬能試驗機測試填充PVC材料的力學(xué)性能。2灰石填充材料表2是重質(zhì)碳酸鈣、硅灰石、簡單混合的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石、簡單混合的活性(改性)重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石、研磨復(fù)合后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石及研磨復(fù)合后的活性(改性)重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料填充PVC材料的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表2結(jié)果可見:(1)未改性重質(zhì)碳酸鈣填充PVC材料的沖擊強度、斷裂伸長率較高,即韌性較好,但拉伸強度和彎曲強度稍低;而硅灰石填充PVC材料的拉伸強度、彎曲強度較高,但斷裂伸長率較低;將重質(zhì)碳酸鈣、硅灰石簡單混合后,填充材料的拉伸、彎曲、沖擊強度及斷裂伸長率都較高,綜合力學(xué)性能好于任一單一填料填充,斷裂伸長率甚至高于純PVC;而用研磨復(fù)合后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料填充,材料的拉伸、彎曲、沖擊強度及斷裂伸長率都高于簡單混合的碳酸鈣/硅灰石填料,說明研磨可以進一步提高重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料填充聚氯乙烯的力學(xué)性能。(2)表面改性后,除個別數(shù)據(jù)外,重質(zhì)碳酸鈣、硅灰石、簡單混合以及研磨復(fù)合后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料填充PVC材料的力學(xué)性能較表面改性前普遍提高,其中研磨復(fù)合后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料經(jīng)表面改性后,填充PVC材料的拉伸、彎曲、沖擊強度、斷裂伸長率等力學(xué)性能明顯提高,沖擊強度和拉伸強度分別提高18.93%和19.13%,斷裂伸長率提高114.4%,斷裂伸長率較純PVC材料提高1.4倍。這說明表面改性活化能顯著提高重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料在PVC材料中的填充性能。(3)研磨復(fù)合20min后再改性與未經(jīng)研磨直接改性比較,重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料的拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲強度、沖擊強度等力學(xué)性能明顯提高。3重質(zhì)碳和硅灰石復(fù)合活動材料的填充和增強原理3.1研磨復(fù)合和表面改性對重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料與pvc材料的復(fù)合兩種不同化學(xué)組成的非金屬礦物粉體原料的復(fù)合,使填料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,填料顆粒與表面改性劑及高聚物基料分子的吸附或反應(yīng)能力增強;同時,研磨復(fù)合過程的機械激活作用和機械化學(xué)反應(yīng)使復(fù)合填料的表面活性顯著提高圖1所示為純PVC材料(1)、未改性的重質(zhì)碳酸鈣(2)、硅灰石(3)、簡單混合的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石(4)、研磨復(fù)合后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石(5)以及研磨復(fù)合和改性后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料(6)填充PVC材料的拉伸斷口掃描電鏡圖。由圖可見,研磨復(fù)合后重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料的分散性較簡單混合的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料有所改善,但仍然可見到纖維狀硅灰石和多角狀重質(zhì)碳酸鈣顆粒;采用硬脂酸/鈦酸酯復(fù)合改性劑進行表面改性后的復(fù)合活性重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料顆粒(6)與PVC樹脂有機地纏繞和粘結(jié)在一起,已很難分辯出重質(zhì)碳酸鈣和硅灰石填料顆粒,這說明研磨復(fù)合和表面改性增加了重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料與PVC樹脂的作用。這正是重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合活性填料填充增強PVC材料的主要原因之一。3.2充填材料的拉伸、沖擊強度非金屬礦物填料的顆粒形狀多樣,如碳酸鈣的立方體狀、硅灰石和透閃石的針狀、滑石和高嶺土的片狀、硅藻土的多孔盤狀或棒錘狀,等等。一定形狀的非金屬礦物填料在高聚物基材料成型時,只能沿一定的方向取向,但若將兩種不同顆粒形狀的填料復(fù)合使用,則可沿不同方向取向。如圖2所示,粒狀填料a對填充材料無取向增強作用(0維增強),纖維狀填料c沿重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料,從顆粒形狀角度說,是粒狀/纖維狀配合的填料,復(fù)合比例0.5∶0.5時,重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合填料未經(jīng)表面改性填充PVC后材料的拉伸強度較單一重質(zhì)碳酸鈣填充提高42.67%,甚至高于用單一的硅灰石填充(見表2)。顆粒粒度和形狀配合增強的另一個機理是不同粒度和形狀填料填充時的堆砌效應(yīng)。這種堆砌效應(yīng)可以通過兩種單一填料混合填充后材料力學(xué)性能的加權(quán)平均計算值與簡單混合填料填充后填充材料力學(xué)性能的實測值來估算。以粒狀/纖維狀配合的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石簡單混合填料填充PVC為例,兩種單一填料混合填充后材料力學(xué)性能的加權(quán)平均計算值=式中由表3可見,重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石簡單混合填料填充的PVC材料的拉伸、沖擊強度的實測值明顯大于按組分平均效應(yīng)的計算值。說明重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石簡單混合填料填充時因填料顆粒粒度和形狀的配合產(chǎn)生了堆砌增強效應(yīng),使材料力學(xué)性能表現(xiàn)出很好的復(fù)合效應(yīng)。其機理是兩種填料混合前后相對整體體積發(fā)生了變化。4重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能(1)與單一重質(zhì)碳酸鈣、硅灰石填料以及簡單混合的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料相比,研磨復(fù)合及表面改性后的重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石復(fù)合活性填料可以顯著提高填充PVC材料的拉伸、彎曲、沖擊強度、斷裂伸長率等力學(xué)性能。(2)重質(zhì)碳酸鈣/硅灰石填料研磨復(fù)合和表面改性后填充增強PVC材料力學(xué)性能的主要原理是復(fù)合活化增強和顆粒粒度、形狀配合增