超微细碳酸镁、硅灰石粉体功能化改性技术及其在聚丙烯中的应

发布日期:2021-06-22 11:10

聚丙烯(PP)是国内外广泛使用的一种通用塑料,由具有良好的力学性能、耐热性和加工流动性以及突出的应力开裂性和耐磨性,同时还具有较长的弯曲疲劳寿命,优异的成纤性和优良的电性能。但是,聚丙烯低温易脆化,对缺口较敏感,成型收缩率大、易老化而不能作为结构材料使用,使其应用受到一定的限制。因此,通常需要通过共聚、共混、填充、增强等技术对聚丙烯进行改性以提高其性能。其中,对聚丙烯的填充增强改性是目前有发展前景,应用广泛的改性方法。
从填充矿物粉体填料补强聚丙烯的角度考虑,超微细(微纳米)三水碳酸镁、碱式碳酸镁、无水碳酸镁等碳酸镁以及硅灰石粉体具有质轻、密度小、热稳定性高、阻燃抑烟、无毒无污染、制备原料来源广泛、价格低廉等诸多优点,是一类重要的新型环境矿物材料。经过实践证明,这些填料可用作塑料、涂料、建材等高聚合物的补强剂、填充剂和阻燃剂等,能起到增加体积、降低成本的作用,在塑料、橡胶、涂料、医药、食品、分离和冶金等多领域具有广泛应用价值。
1微/纳米水合碳酸镁
微/纳米水合碳酸镁,其分子式为3MgCO3·Mg(OH)2·3H2O,外观为白色粉末状,是一种随着纳米材料的发展而诞生的一种新型高功能精细无机材料。由于改性后的水合碳酸镁具有不同于本体材料的热、光、电、力学和化学性能,被广泛应用于橡胶、涂料、塑料、造纸、食品、医药等领域。
2针状硅灰石
硅灰石是天然的硅酸钙(CaSiO3),通常呈针状、放射状、纤维状集合体,主要成分为SiO2(50.9%)、CaO(46.9%)、FeO(0.55%)、Al2O3(0.25%)等。在硅灰石的结晶结构中,SiO4四面体链和CaO八面体柱沿b轴方向相连,CaO八面体柱和SiO骨架连接形成的复合单链成为硅灰石结晶构造的基本单元。
由于它具有特殊晶体形态、高白度、良好的介电性能和较高的耐热性能等特性,因此硅灰石能够被广泛应用于橡胶、陶瓷、塑料、涂料和造纸等领域。
3碳酸镁与硅灰石改性
碳酸镁和硅灰石等无机粉体,表面原子较多、表面能高、极性强,其表面性质与非极性或弱极性的有机聚合物表面性质差异较大,两者相容性差,因此直接用其作为聚合物的填料时,容易导致复合材料的冲击强度、延伸率等力学加工性能下降。因此,必须对填料进行表面改性处理,改善其物理性能,增强其与有机基体的相容性,从而拓宽其应用范围。
关于无机粉体表面改性的理论主要有以下四种:化学键理论、表面浸润理论、可变形层理论和约束层理论。
(1)化学键理论认为:偶联剂含有两种化学官能团,一种可以与填料表面质子形成化学键,另一种与聚合物分子键合,导致较强的界面结合,提高填充复合材料的力学性能。
(2)表面浸润理论认为:高分子基体对填料的良好浸润性对复合材料的性能有重大影响。如果能将填料完全浸润,那么树脂对高能表面的物理吸附将提供高于有机树脂内聚强度的粘接强度。
(3)可变形层理论认为:偶联剂改性填料表面可能择优成为吸附树脂中的配合剂,相间区域的不均衡固化可能导致一个比偶联剂在聚合物与填料之间的单分子层厚得多的柔树脂层,即变形层。它能松弛界面应力,防止界面裂缝的扩展,从而改善界面的结合强度。
(4)约束层理论认为:在高模量粉体和低模量树脂之间的界面区域,若其模量在两者之间,则可均匀地传递应力。
4改性碳酸镁在聚丙烯(PP)中的应用
(1)聚丙烯(PP)/轻质碳酸镁复合材料增韧
杨柏林等采用熔融共混法制备了聚丙烯(PP)/轻质碳酸镁复合材料。研究发现,二者复合后,复合体系的结晶度减小,冲击强度降低,产生了β球晶,使得复合体系的韧性增强。
(2)氢氧化铝和碳酸镁复配用于聚乙烯阻燃材料
李建新等将氢氧化铝和碳酸镁复配添加到线性低密度聚乙烯中,使体系阻燃的温度范围变宽,当添加量为50%,氢氧化铝和碳酸镁的比例为4:1时,体系的氧指数为26,优于单独使用氢氧化铝的情形。此外,碱式碳酸镁分解温度为200~550℃,该范围大于氢氧化铁和氢氧化铝的分解温度范围。当复合材料燃烧时,碱式碳酸镁能分解吸热,释放出结晶水和CO2,阻止燃烧的进行。
5改性硅灰石在聚丙烯(PP)中应用
共聚物接枝改性PP/硅灰石复合材料提高机械性能
通过相容剂甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-马来酸酐共聚物接枝改性聚丙烯(PPSBM)来改善PP/硅灰石复合材料的力学性能,PP/硅灰石复合材料的抗拉强度、硬度、延伸率和抗压强度呈现先增大后减小的趋势。随着PP-SBM含量的增加,PP-SBM与改性硅灰石发生的增容反应可以极大提高硅灰石与柔性界面的相容性,当PP-SBM质量分数为30%时,PP/硅灰石复合材料的力学性能、拉伸性能和抗冲击性能均优。

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