不同粒徑的滑石粉改性聚丙烯的性能研究

宋 波，彭鶴松，吳維冰，鄧克文

(江西廣源化工有限責任公司，江西 吉安 331500)

聚丙烯作為一種通用塑料，具有許多優良的性能，但是因機械強度低、耐熱性差、收縮形變大、抗蠕變性差等缺陷，在應用上，特別是作為結構材料，受到很大限制，不能作為高性能的工程塑料。因此，對聚丙烯進行改性，使之工程化就成為一個重要的研究課題[1]。采用滑石粉填充改性PP，耐熱性好，收縮率低，尺寸穩定性好，硬度高。滑石粉填充PP復合材料已廣泛應用于汽車部件及日常用品的生產，其產品與未填充滑石粉的PP相比具有良好地表觀質量、低的收縮率和較高的熱變形溫度[2]。胡圣飛等采用采用納米CaCO3填充聚丙烯，研究表明納米CaCO3填充PP在大幅提高PP沖擊強度的同時能改善其耐熱性與尺寸穩定性，并可保證拉伸強度不變[3]。孟麗萍等采用硫酸鋇填充聚丙烯，研究結果表明，硫酸鋇填充聚丙烯材料是一類高填充兼有高剛度、高韌性、高伸長率的新型復合材料[4]。

國內對無機填料填充改性聚丙烯研究較多，尤其是表面改性填料填充聚丙烯的研究，在聚丙烯的改性上，以往的研究多側重其性能的研究，往往采用的是純度很高的滑石粉或者是沉淀法生產的碳酸鈣或硫酸鋇。但隨著優質滑石資源的逐漸萎縮，如何在保證滑石粉填充改

性聚丙烯的性能不變的前提下降低生產成本；筆者采用了三種原料豐富硅含量適中的不同粒徑的滑石粉填充改性聚丙烯，研究了三種滑石改性聚丙烯的效果，為超細滑石粉的選型提供了技術支持。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

滑石粉，海城市新廣源粉體材料有限公司，HS-338，HS-638，HS-738，PE蠟：青島邦尼化工有限公司，BN-200；復合穩定劑，市售，自配；聚丙烯：遼寧華錦通達化工股份有限公司，牌號T30S；復配型抗氧劑，市售產品，自配。

1.2 主要儀器及設備

馬爾文激光粒度儀：3000E，英國馬爾文儀器有限公司；雙螺桿擠出機組：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5mm，南京杰恩特機電有限公司；注塑機：ZX-80型，震雄集團公司；萬能力學性能實驗機：CMT6104型，美斯特工業系統(中國)有限公司；沖擊試驗機：ZBC1400-B型，美斯特工業系統(中國)有限公司；熔體流動速率儀：ZRZ1452型，美斯特工業系統(中國)有限公司；光電霧度計：WGW，上海珊科儀器廠；電子比重計：DH-300，北京伊若特電子儀器公司。

1.3 材料的制備

首先，將PP加入到高速混合機中，同時加入PE蠟，攪拌5min，然后再加入其他助劑和填料，混合10min后，冷卻出料；再將混合好的原料加入到雙螺桿擠出機中熔融擠出造粒，加工溫度為：160-180℃；注塑成標準樣條進行力學性能測試。另將母粒在壓片機上制成薄膜進行透光率的測試。

1.4 性能測試

拉伸性能測試：按GB/T1040.1-2018測試；

彎曲性能測試：按GB/T9341-2008測試；

簡支梁缺口沖擊性能測試：按GB/T1043.1-2008測試，采用2J的沖錘，跨度 40mm；

懸臂梁缺口沖擊性能測試：按GB/T1843-2008測試，采用2.75J的沖錘，跨度 40mm；

熔體流動速率測試：按GB/T3682-2000測試，溫度為230℃，壓力為3.8 kg；

比重測試：按GB/T1033.1-2008測試。

2 結果與討論

2.1 三種滑石的基本性能

從表1可以看出，所采用的三種滑石粉其二氧化硅含量在45%左右，這種二氧化硅含量的原礦儲量豐富，價格適中，適用于工業領域，是一種性價比較高的產品。從細度和吸油量這兩個指標來綜合考察，可知HS-738的產品是最細的，由于無機填料粒子的增強增韌作用，細度越細，其比表面積越大，填料與PP基材接觸的點就越多，在受外力的情況下，其所產生的裂紋和受力點會越多，推測其力學性能會更好。

表1 三種滑石的主要物理指標

2.2 三種滑石的粒徑分布和表面形貌

由于滑石呈典型的片狀或者層狀結構，單純的用激光粒度儀不能完整的對其進行性能分析，還應綜合考慮其粒徑分布的寬窄和表面形貌的影響。圖1為三種滑石的粒徑分布，從圖1可知HS-738的粒度分布也是最窄的，大部分顆粒集中分布在2-10μm之間，粒徑分布越窄，更有利于提高其分散性和加工性能。

(a)HS-338 (b)HS-638 (c)HS-738

圖2為三種滑石粉的SEM掃面電鏡的照片，放大倍數為5000倍。從圖2可以看出三種滑石粉都呈典型的片狀結構，其中HS-738還具有部分層狀的結構。

(a)HS-338

2.3 滑石粉填充對聚丙烯改性效果的影響

2.3.1 實驗配方

表2 滑石粉/PP復合材料配方

2.3.2 滑石粉/PP復合材料的力學性能

表3為滑石粉/PP復合材料力學性能和熔融指數數據。從表3可以看出，添加200份滑石粉的時候，與純PP相比，采用HS-738所制備的復合材料的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和熔融指數都得到了提高，說明添加200份滑石粉在復合材料中起到了增韌增強的效果。采用HS-338，由于其粉體顆粒較粗，拉伸強度會下降；采用HS-638由于其粒徑分布比HS-738的要寬，其熔體流動性要差于HS-738，綜合考慮其力學性能和加工型，采用HS-738改性PP是各項力學性能和加工性能最優的。

表3 滑石粉/PP復合材料的力學性能

2.3.3 滑石粉/PP材料的比重和制備的薄膜的透光率

表4為滑石粉/PP復合材料比重和薄膜透過率數據。從表4可以看出，HS-738制備的復合材料的比重比其他兩種滑石都要低；制備的薄膜的透光率要高于HS-338，低于HS-638，這與滑石粉的二氧化硅的含量的高低是一致的。輕量化已逐漸成為塑料加工領域的一個發展方向，簡單的來說，就是在同樣的添加量的情況下，希望所制備的材料的比重越小越好。對于采用無機粉體添加到塑料中，越細的粉體由于其比表面積越大，制備出來的材料的比重會越小，相對應的其制品的產量會得到提升，生產成本下降。

表4 滑石粉/PP材料的比重及透光率

2.4 超細滑石粉添加量對制備的材料的性能影響

由于HS-738單純的粉體的生產成本是高于HS-338和HS-638，在相同的添加量的情況下其力學性能要好，但生產成本會高，為了進一步驗證添加HS-738的效果，我們將其添加量做了增加到300份、400、500份，與HS-338和HS-368添加200份時對比其性能。

2.4.1 實驗配方

表5 滑石粉/PP復合材料配方

2.4.2 滑石粉/PP復合材料的力學性能

表6為滑石粉/PP復合材料力學性能和熔融指數數據。從表6可以看出，隨著HS-738添加量的增加，其拉伸強度和熔體流動速率是逐漸下降的。與HS-338添加200份相比，由于其細度的變細，其拉伸強度在添加到500份時都要高于HS-338添加200份，但是其熔體流動速率會有一定的下降，綜合考量其性能，在添加300份HS-738其性能與添加200份HS-338接近；與HS-638添加200份相比，添加HS-738滑石粉300份時其拉伸強度與其相近，熔體流動速率要高，加工性能要好。

表6 滑石粉/PP復合材料的力學性能

2.4.3 滑石粉/PP材料的比重和制備的薄膜的透光率

表7為滑石粉/PP復合材料比重和薄膜透過率數據。從表7可以看出，在HS-738添加量為300份時制備的復合材料的比重與HS-338添加200份時低，制備的薄膜的透光率要高。與HS-638相比，添加量增加的情況下，其比重都相應的要增加，由于其硅含量要稍低，其透過率也要低。

表7 滑石粉/PP材料的比重及透光率

3 結論

1)HS-738的粒徑是三種滑石粉中最小，其粒徑分布也是最窄，本實驗采用的三種滑石粉都具有較好的層狀或片狀結構；

2)采用HS-738填充改性聚丙烯，可以提高力學性能，改善加工流動性；

3)綜合考慮制備的復合材料力學性能和加工流動性，，在同樣添加量的情況下，采用HS-738要優于HS-638和HS-338，同時制備的復合材料的比重最小，有利于加工成本的降低；

4)在不同添加量的情況下，采用HS-738添加300份時的各項性能指標要優于或接近于HS-338和HS-638添加200份時的性能指標。