聚丙烯(PP)是國內(nèi)外廣泛使用的一種通用塑料,由具有良好的力學(xué)性能、耐熱性和加工流動性以及突出的應(yīng)力開裂性和耐磨性,同時還具有較長的彎曲疲勞壽命,優(yōu)異的成纖性和優(yōu)良的電性能。但是,聚丙烯低溫易脆化,對缺口較敏感,成型收縮率大、易老化而不能作為結(jié)構(gòu)材料使用,使其應(yīng)用受到一定的限制。因此,通常需要通過共聚、共混、填充、增強等技術(shù)對聚丙烯進(jìn)行改性以提高其性能。其中,對聚丙烯的填充增強改性是目前有發(fā)展前景,應(yīng)用廣泛的改性方法。
從填充礦物粉體填料補強聚丙烯的角度考慮,超微細(xì)(微納米)三水碳酸鎂、堿式碳酸鎂、無水碳酸鎂等碳酸鎂以及硅灰石粉體具有質(zhì)輕、密度小、熱穩(wěn)定性高、阻燃抑煙、無毒無污染、制備原料來源廣泛、價格低廉等諸多優(yōu)點,是一類重要的新型環(huán)境礦物材料。經(jīng)過實踐證明,這些填料可用作塑料、涂料、建材等高聚合物的補強劑、填充劑和阻燃劑等,能起到增加體積、降低成本的作用,在塑料、橡膠、涂料、醫(yī)藥、食品、分離和冶金等多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價值。
1微/納米水合碳酸鎂
微/納米水合碳酸鎂,其分子式為3MgCO3·Mg(OH)2·3H2O,外觀為白色粉末狀,是一種隨著納米材料的發(fā)展而誕生的一種新型高功能精細(xì)無機材料。由于改性后的水合碳酸鎂具有不同于本體材料的熱、光、電、力學(xué)和化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于橡膠、涂料、塑料、造紙、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
2針狀硅灰石
硅灰石是天然的硅酸鈣(CaSiO3),通常呈針狀、放射狀、纖維狀集合體,主要成分為SiO2(50.9%)、CaO(46.9%)、FeO(0.55%)、Al2O3(0.25%)等。在硅灰石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中,SiO4四面體鏈和CaO八面體柱沿b軸方向相連,CaO八面體柱和SiO骨架連接形成的復(fù)合單鏈成為硅灰石結(jié)晶構(gòu)造的基本單元。
由于它具有特殊晶體形態(tài)、高白度、良好的介電性能和較高的耐熱性能等特性,因此硅灰石能夠被廣泛應(yīng)用于橡膠、陶瓷、塑料、涂料和造紙等領(lǐng)域。
3碳酸鎂與硅灰石改性
碳酸鎂和硅灰石等無機粉體,表面原子較多、表面能高、極性強,其表面性質(zhì)與非極性或弱極性的有機聚合物表面性質(zhì)差異較大,兩者相容性差,因此直接用其作為聚合物的填料時,容易導(dǎo)致復(fù)合材料的沖擊強度、延伸率等力學(xué)加工性能下降。因此,必須對填料進(jìn)行表面改性處理,改善其物理性能,增強其與有機基體的相容性,從而拓寬其應(yīng)用范圍。
關(guān)于無機粉體表面改性的理論主要有以下四種:化學(xué)鍵理論、表面浸潤理論、可變形層理論和約束層理論。
(1)化學(xué)鍵理論認(rèn)為:偶聯(lián)劑含有兩種化學(xué)官能團(tuán),一種可以與填料表面質(zhì)子形成化學(xué)鍵,另一種與聚合物分子鍵合,導(dǎo)致較強的界面結(jié)合,提高填充復(fù)合材料的力學(xué)性能。
(2)表面浸潤理論認(rèn)為:高分子基體對填料的良好浸潤性對復(fù)合材料的性能有重大影響。如果能將填料完全浸潤,那么樹脂對高能表面的物理吸附將提供高于有機樹脂內(nèi)聚強度的粘接強度。
(3)可變形層理論認(rèn)為:偶聯(lián)劑改性填料表面可能擇優(yōu)成為吸附樹脂中的配合劑,相間區(qū)域的不均衡固化可能導(dǎo)致一個比偶聯(lián)劑在聚合物與填料之間的單分子層厚得多的柔樹脂層,即變形層。它能松弛界面應(yīng)力,防止界面裂縫的擴展,從而改善界面的結(jié)合強度。
(4)約束層理論認(rèn)為:在高模量粉體和低模量樹脂之間的界面區(qū)域,若其模量在兩者之間,則可均勻地傳遞應(yīng)力。
4改性碳酸鎂在聚丙烯(PP)中的應(yīng)用
(1)聚丙烯(PP)/輕質(zhì)碳酸鎂復(fù)合材料增韌
楊柏林等采用熔融共混法制備了聚丙烯(PP)/輕質(zhì)碳酸鎂復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),二者復(fù)合后,復(fù)合體系的結(jié)晶度減小,沖擊強度降低,產(chǎn)生了β球晶,使得復(fù)合體系的韌性增強。
(2)氫氧化鋁和碳酸鎂復(fù)配用于聚乙烯阻燃材料
李建新等將氫氧化鋁和碳酸鎂復(fù)配添加到線性低密度聚乙烯中,使體系阻燃的溫度范圍變寬,當(dāng)添加量為50%,氫氧化鋁和碳酸鎂的比例為4:1時,體系的氧指數(shù)為26,優(yōu)于單獨使用氫氧化鋁的情形。此外,堿式碳酸鎂分解溫度為200~550℃,該范圍大于氫氧化鐵和氫氧化鋁的分解溫度范圍。當(dāng)復(fù)合材料燃燒時,堿式碳酸鎂能分解吸熱,釋放出結(jié)晶水和CO2,阻止燃燒的進(jìn)行。
5改性硅灰石在聚丙烯(PP)中應(yīng)用
共聚物接枝改性PP/硅灰石復(fù)合材料提高機械性能
通過相容劑甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-馬來酸酐共聚物接枝改性聚丙烯(PPSBM)來改善PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能,PP/硅灰石復(fù)合材料的抗拉強度、硬度、延伸率和抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著PP-SBM含量的增加,PP-SBM與改性硅灰石發(fā)生的增容反應(yīng)可以極大提高硅灰石與柔性界面的相容性,當(dāng)PP-SBM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時,PP/硅灰石復(fù)合材料的力學(xué)性能、拉伸性能和抗沖擊性能均優(yōu)。