包覆天然云母粉增韌PP復合材料的研究

陳秀宇+林謙+余美瓊+陳國奮+林淵智

摘 要：采用硬脂酸表面活性劑和硅烷偶聯劑對天然云母進行表面包覆改性后制備出PP/包覆天然云母復合材料，并對云母包覆影響因素和材料的增韌性能進行研究。實驗結果表明：以硅烷偶聯劑改性云母制備的PP/云母復合材料的性能較好，增韌的最佳工藝條件為：云母用量為20%，硅烷偶聯劑用量1.2%（均以云母質量計），云母改性時間30min。

關鍵詞：聚丙烯;云母粉;包覆;增韌

中圖分類號： Q178.53 ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-190-2

0 ?引言

聚丙烯（PP）的填充改性可在降低成本的基礎上，實現對材料力學性能的改善，擴展聚丙烯的應用范圍。近年來，層狀填料云母由于其獨特的平面增強效應，受到了越來越多的關注和青睞[1-2]。云母填充改性PP塑料正在向金屬材料及較昂貴的工程塑料挑戰，云母作為理想的增容、增強、多功能PP填料，得到人們的普遍關注[3]。云母與聚丙烯的極性差異較大，其分散效果和界面結合不夠好，往往導致所制

得的復合材料性能較差，所以要對云母表面進行預處理并且對其表面進行改性。目前普遍采用偶聯劑對云母進行表面改性來降低云母表面極性，改善其與聚丙烯之間的親合力[4-5]。

本文采用不同改性劑對云母表面改性，用FTIR和活化指數兩種方法來表征和評價，通過單因素實驗優化改性工藝條件，以期制備出具有良好性能的優質云母粉填充PP制備復合材料。

1 ?實驗試劑

云母粉，福州坤彩有限公司;硅烷偶聯劑（KH-560），南京聯硅化工有限公司;聚丙烯（PP）樹脂，中國石化海南煉油化工有限公司;無水乙醇、無水碳酸鈉、鹽酸、硬脂酸等均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

2 ?實驗儀器

SHJ-36型雙螺桿擠出造粒機：中國南京聚力化工機械有限公司;YCT160-4A型冷切粒機：泰州市華泰調速電機廠;MH-35T型塑料注塑成型機：東莞市銘輝塑膠機械有限公司;HMT500型高速混合機：蘇州科晟泰機械設備有限公司;PC180型塑料破碎機：中國南京聚力化工機械有限公司，Nicolet380型傅立葉紅外光譜儀：美國尼高力公司;XJ-50D型復合沖擊試驗機：承德建德檢測儀器有限公司;KTZ400型熔融指數儀：蘇州科晟泰機械設備有限公司。

3 ?云母的表面改性

3.1 云母微粉的預處理

由于云母表面摻雜著許多的金屬雜質，因此必須對其表面進行預處理實驗。處理方法：用10%的碳酸鈉溶液以1：10的固液比（g/mL）加至4000mL量杯中清洗20min后抽濾，抽濾后用5%的鹽酸溶液以1：10的固液比（g/mL）清洗20 min，抽濾，將處理后的云母在300℃烘箱烘干24h成微粉狀，研磨過100目標準篩備用。

3.2 硬脂酸對云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉，加入高速混合機中，用電動攪拌機進行攪拌，同時進行油浴加熱，當粉體溫度升至90～100℃時加入一定量經無水乙醉溶解的硬脂酸表面活性劑（硬脂酸：無水乙醇體積為1：2），保持溫度，再進行一定時間的高速攪拌，從而獲得改性云母微粉。

3.3 硅烷偶聯劑對云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉加入高速捏合機中高速攪拌，同時進行油浴加熱， 當粉體溫度升至70～80℃時加入一定量經稀釋后氨水， 繼續高速攪拌， 并加熱。當粉體溫度升至120～125℃時加入一定量經乙醇稀釋的硅烷偶聯劑，保持溫度，再進行一定時間的高速攪拌， 從而獲得硅烷改性云母微粉。

4 ?表面改性的活化指數H

活化指數H=上浮物的質量/（上浮物的質量+下沉物的質量）。

H值在0～1之間進行變化，可反映出粉體表面活化程度的大小，即反映粉體改性優劣的情況?；罨笖抵翟酱?，說明粉體表面疏水性越強，改性效果越好[12]。

5 ?復合材料的制備

將干燥的改性云母微粉與二甲基硅油和PP樹脂根據不同的配方在高速混合機中混合8～10min，再用造粒機熔融共混勻速地擠出拉條，經冷卻后用冷切粒機進行切粒，粒料經過吹干干燥后用注射成型機注射成帶有V型缺口的標準樣條，進行沖擊性能測試。

6 ?結果與討論

6.1 云母的紅外光譜分析

將云母原樣和改性后云母進行紅外表征。白云母有3636cm-1的OH振動峰，1200cm-1～900cm-1和800cm-1～600cm-1范圍內的Si（Al）—O振動、550cm-1～400cm-1范圍的Si（Al）的特征吸收峰。改性后3438cm-1有所增強，硅烷KH-560改性后粉體在云母在2921cm-1和2842cm-1左右的峰有所增強，從紅外光譜圖看，改性云母表面的偶聯劑，讓其表面的分散性得到很好的改善，從光譜圖上可以看出未發現有新化學鍵結合的峰，因此，改性后的云母主要以表面物理包覆的作用。

6.2 云母的改性

在云母微粉表面選擇不同種類的改性劑進行改性，以便探究云母微粉的改性效果。本實驗選用了硬脂酸和硅烷偶聯劑來改性云母，分別對其用量和改性時間進行比較，測出改性后的活化指數。

為確定硬脂酸改性云母微粉的最佳用量，對硬脂酸用量（以云母質量計）做單因素實驗，其它工藝條件不變。試驗用100目云母，稱取一定量的云母，攪拌改性時間60 min，加入用硬脂酸改性劑改性的云母測定的活化指數。

硬脂酸表面活性劑不斷的增加，活化指數明顯呈現上升趨勢，硬脂酸表面活性劑的用量為1.0%～2.0%時上升趨勢最明顯，超過2.0%時趨于平緩，所以，從經濟因素方面來看，選擇2.0%的硬脂酸為最佳用量。

利用以上單因素實驗選擇了最佳硬脂酸用量之后，考慮硬脂酸對云母改性時間的影響，硬脂酸用量為2.0%，其余工藝條件與上述工藝條件相同，硬脂酸改性云母時間對活化指數的影響，從圖3中可知：活化指數隨著改性時間增加而增大，但當時間超過60min之后，活化指數變化較小，從時間效益方面來看，選擇硬脂酸最優改性時間為60min。

綜上所述，選擇硬脂酸表面活性劑的最佳改性用量為2.0%，選擇云母改性的最佳改性時間為60min。

7 ?結論

采用硬脂酸和硅烷兩種改性劑對云母進行表面包覆改性研究，利用熔融共混法制備PP/云母復合材料，探討其最優的增韌工藝條件，結果如下：

①從原樣云母及改性云母的紅外光譜圖可以看出，硅烷偶聯劑KH560改性云母微粉沒有新化學鍵出現，是以物理包覆作用為主。

②兩種改性劑分別對云母微粉的改性效果作比較，得出硅烷偶聯劑的改性效果要比硬脂酸較佳。

③云母用量為20%時復合材料的缺口沖擊強度最高。當云母用量在20%～25%時復合材料熔融指數效果最優。

④包覆改性的云母增韌填充PP制備的復合材料的最佳工藝條件為：云母用量為20%，硅烷偶聯劑用量1.2%（以云母質量計），云母改性時間30min。

參 考 文 獻

[1] ?楊春萍，伍玉嬌，劉昌貴.聚丙烯/云母復合材料改性研究進展[J].現代塑料加工應用，2013，25（3）：57-59.

[2] Kaiz.H.S & Milewski.J.V. Handbook of Fillers and Reinforeemends for Piastics.New York.1978.

[3] 吳唯，錢琦，周高仁.PP/云母復合材料的增容效果及其界面結構[J].塑料工業，2000，28（6）：13-18.

[4] 胡圣飛，彭少賢，郭文迅，等.PP/云母復合材料力學性能研究[J].塑料科技，2000（2）：13-18.

[5] 卜俊芬.白云母-硅灰石及POE增強增韌PP復合材料性能的研究[D].2008.11.

[6] 中華人民共和國國家標準，GB/T1043.1—2008/ISO179：2000.代替GB/T 1043—1993.塑料簡支梁沖擊性能的測定[S].

[7] 中華人民共和國國家標準.GB/T 3628—2000.idt ISO 1133：1997.熱塑性塑料熔體質量流動速率和熔體體積流動速率的測定[S].

[8] 董金虎.共混方法及云母含量對PP/云母復合材料性能的影響[J].中國塑料，2012，25（3）：76-77.