设计性实验 姚圣.docx

微米SiO2增韧PP姚圣高分子材料与公程220071002摘要: 将微米SiO2和不同分数的偶联剂混合，并填充到聚丙烯（pp）中，制成聚丙烯/微米SiO2填充复合材料样品。并对纯聚丙烯、聚丙烯/微米SiO2填充复合材料的机械性能进行对比研究。验证其经过SiO2填充后的复合材料的性能有了显著的提高。1前言 (一) 聚丙烯及填充剂简介聚丙烯(PP)是一种性能优良的热塑性合成树脂，具有优良的刚性、高的热变形温度、易成型加工、电绝缘性和卓越的耐折叠性。因而广泛地应用于工业制品、日用品、包装薄膜、纤维、涂料等领域。在五大通用塑料中产量仅次于聚乙烯和聚氯乙烯，国内消费量仅次于聚乙烯位列第二位。但PP也存在韧性差对缺口敏感、不耐磨、成型收缩率大等缺点。随着塑料工业的迅速发展和人们对高附加恒产品需求量的增加PP工业需要调整产品结构，开拓新的应用领域.增加新型高性能的品种、牌号，大力研究开发PP改性技术和PP改性产品促使PP向工程塑料及功能材料方向发展。在对聚丙烯（pp）的填充改性中，常常是加入一定量的无机填料、有机填料来提高制品的刚性、耐热性、尺寸稳定等性能，并能降低材料成本。填充聚丙烯（pp）的无机填料有：云母粉、碳酸钙、硅酸盐、滑石粉、玻璃微珠、蒙脱土、硅藻土、金属氧化物等。有机填料有：木粉、稻壳粉、花生壳粉等。于无机物是当今成本最低、应用最广泛的塑料改性材料，国内外对无机填料的研究十分广泛，因此我着重的介绍无机填料。以下是对几种常见的填充材料的介绍：(1) 碳酸钙碳酸钙价格低廉、来源丰富、无毒、物刺激性气味、白度好儿折射率低、易于着色、粒度分布均匀、能增进塑料色泽、改进染色性；另外碳酸钙是球形结构切不含-石英，所以对加工机械无磨损。(2) 硅酸盐类包括滑石粉、云母粉、石棉和陶土等。滑石粉为片状机构，粒度越细效果越好。滑石粉可提高制品的硬度、电绝缘性能。滑石粉使用时表面要处理，处理方法可采用加矿物脱活剂、润滑剂、加工助剂和偶联剂等。表面处理以后的滑石粉的加入，可使聚丙烯的性能大大改善。云母粉是多种铝硅酸盐的总称，主要品种有白云母和金云母。云母为鳞片状，具有玻璃般光泽。它们有卓越的耐候性、耐化学腐蚀性、耐热性和低的热传导效率、电绝缘和无毒性，可吸收紫外线。(3) 玻璃珠玻璃珠是一种表面光滑的微小玻璃球，具有光滑的球形外表，各向同性且无尖锐边角，质量均匀。添加后粘度变化较小，磨耗小、表面状态好、有滚珠轴承的作用，可改进塑料的细部成型性、改进接缝性，有利于改善体系的加工流动性。玻璃为主的膨胀系数小，且分散性好，可有效防止塑料制品的变形。(4) 炭黑是一种以碳元素为肢体的极细的黑色粉末，有炉黑、槽黑、热烈黑、乙炔黑和灯黑。可提高制品的耐光老化性，可降低制品的表面电阻，起抗静电作用，也可起着色剂的作用(5) 钛白粉钛白粉的化学成分为二氧化钛，有金红石型和锐钛型，金红石型是最稳定的结晶形态结构致密，硬度、耐候性和抗粉化性等优于锐钛型，低大气中的各种化学物质稳定，不溶于水，耐热性好。钛白粉加入以后不仅可提高产品百度，还可以减少紫外线的破坏作用，可提高聚丙烯的光老化性能，还可提高制品的刚性、硬度和耐磨性。(6) 氢氧化铝为白色粉末，热分解时可吸收大量的热，无毒、不挥发。用氢氧化 铝对塑料改性以后可提高塑料的阻燃性、电绝缘性，另外还具有消烟作用。（二）聚丙烯填充技术研究利用橡胶或弹性体虽可显著地增加PP的韧性，但同时却降低了共混物的模量、强度和热变形温度国外从80年代起出出了以刚性粒子代替弹性体或橡胶增韧聚合物的研究，国内李东明等率先提出了用CaC03、滑石粉、高岭土、云母、硅灰石、BaSO4等。近年来，随着对无机刚性粒子表面处理技术的提高，无机粒子与PP的界面结合田径增强，无机刚性粒子在PP中的分散能力增大，无机粒子对PP不仅有增强作用还产生了神奇的增韧效果。填充量也由过去的40%上限增加到60%70%。无机刚性粒子增强增韧PP技术研究院成功克服了PP改性不能同时增强又增韧的传统思想，为PP塑料的工程开辟了又一新的途径。清华大学于建等研究了高填充PP/ CaC03复合材料，将CaC03用烷基羧酸盐和助偶联剂进行处理，即使在50%60%的高填充量下，也能使PP的韧性提高一倍左右。吴永刚等研究了BaSO4表面处理时对BaSO4/PP复合体系冲击强度的影响。当BaSO4在PP中具有好的分散性，他们选择了适宜的偶联剂和分散剂对BaSO4粉进行表面处理和预分散。通过扫描电镜照片作者发现：未经表面处理的BaSO4与PP共混后相界面非常清晰，说明它们之间相界面的粘接力差，在外力作用下，很可能在相界面处发生破裂；经表面处理过的BaSO4/PP工混材料，其相界面模糊不清，表面处理剂在基体与填料之间形成一个弹性过渡层（界面带），可有效传递和松弛界面上的应力，更好地吸收与分散外界冲击能，结果将有益于改善复合材料的冲击强度。任显诚等通过对纳米级CaC03粒子进行表面预处理和熔融共混工艺制备了PP/纳米CaC03复合材料。研究表明：经过适当表面处理的纳米CaC03粒子可以通过熔融共混法均匀PP中，通过扫描电镜照片观察到粒子与基体界面结合良好，纳米CaC03粒子在低于10%用量时即可使PP缺口冲击强度提高34倍，同时基体保持其拉伸强度和风度；研究发现纳米CaC03对PP的晶结晶过程有比较大的诱导作用，提高了晶的含量，改善了PP的韧性；同时纳米粒子在复合材料受到冲击时诱导基体发生屈服形变，使复合材料的断裂机理电耗能少的空洞化银纹方式向耗能多的剪切屈服方式转变，从而实现了PP的增韧。（三）发展趋势填料在填充PP方米越来越受到关注，随着新技术的发展，聚丙烯填充材料也见得到发展。主要向以下几个方面发展。（1） 向纳米技术发展纳米技术是20世纪80年代后期发展起来的新技术，现已在很多淋雨得到应用。近年来纳米碳酸钙是相机研究出来，他对聚丙烯的结晶有明显的异相成核作用，提高了材料的结晶温度、熔点和热变形温度，对材料的力学性能也有明显改善，低温冲击和常温冲击都得到改善。超细微粒表面积更大，增加了和聚丙烯的接触面的作用力。纳米CaCO3对PP结晶有明显的异相成核作用，对PP有显著的增强增韧作用。超分散剂CH-1A对纳米碳酸钙有显著的分散作用，是体系的冲击强度有大幅度提高。在使PP完全塑化的前提下超分散剂CH-1A是纳米碳酸钙的分散效果提高，使体系有较好的加工性能。（2） 向复合材料、新材料技术发展复合材料技术已得到广泛应用。在聚丙烯中加入不同含量的空心微珠，缝合材料的冲击性、拉伸性能和弯曲性能都得到提高。同时改善了PP的热性能，是熔点增加，熔解热降低。碳酸钙晶须是近年来出现的一种新型材料，具有高强度、高模量、隔热性能好等特点，由于它填充改性PP后可以改善填充体系的加工性能和热力学性能，使体系的最大扭矩降低并有增韧作用。、复合材料可产生一定的协同作用。如将一定的碳酸钙和滑石粉混合并以一定的质量分数填充于PP中，可产生协同效应，在PP中分散更均匀。利用滑石粉、碳酸钙、硫酸钡和偶联剂以及脂肪酸类增塑剂组成的混合填料填充改性聚丙烯，其弯曲强度及常温缺口冲击强度均提高，热变形温度也提高。（3） 向表面改性技术发展 填料表面改性可使其活性提高，经不同偶联剂处理的灰粉改性填充PP可使体系的冲击强度、刚性和热变形温度有明显提高，制品的尺寸稳定性好、耐热性强、手感好、成本低。利用一定的质量分NaOH溶液处理杉木粉，对提高杉木粉填充PP的断裂伸长率、拉伸强度、弯曲强度和冲击强度有明显提高。2实验部分2.1 表一 实验主要原材料表一 实验主要原材料名称规格产地PPSiO2Ca-StLDPE白油偶联剂抗氧剂1010抗氧剂1682.2 表二 实验主要仪器设备表二 实验主要仪器设备名称规格生产厂家电子万能材料试验机单螺杆挤出机45塑料注射机250冲击强度测定仪2.3 表三 实验配方表三 实验配方原料名称分数本实验重量（克）PPLDPESiO2硅烷偶联剂抗氧剂1010抗氧剂168Ca-St白油9010113501501507.536155-10（ml）2.4实验配方剖析 机体树脂为PP, LDPE为第二基体，微米SiO2为填充剂可以增加PP的抗冲击性，弹性模量、刚度、硬度等力学性能，随着SiO2含量的增加其力学性能随 之增加但其含量达到一定值时力学性能不但不随之提高反而下降。因为PP易被氧化耐候耐老化性差所以要加一定的抗氧剂，抗氧剂168为辅助抗氧剂、抗氧 剂1010为主抗氧剂，PP对氧敏感加工、加热时要尽可能缩短时间。SiO2是无机填料PP为有机机体二者的相容性很差所以要加入一定量的偶联剂来改善二者的相容性，以此来有效提高改性效果，在这里采用硅烷偶联剂。因为填充剂和一些助剂为固体粉末对设备的损害较大可以加入一定量的润滑剂白油来达到润滑效果。 2.5实验工艺路线PP 高速混和机 双螺杆挤出机 切粒干燥 注塑样条 性能测试 助剂 表面经处理的SiO2 2.6实验工艺过程叙述 将PP和各类助剂在高速混合机中充分混合，将混合好的物料加入单螺杆挤出机，同时加入微米SiO2使其与混合好的物料在挤出机中熔融混合，在单螺杆挤压机的加料混合此时温度不能过高防止发生环节阻料，压缩段的温度应高于熔点使物料在温度和压力作用下熔融，完后进入计量段，在计量段中进一步混合使混合更加充分此段温度应略低于压缩段。从挤出机中挤出物料制成样条，拿到冲击强度测定仪上进行性能测试。2.7表四 实验工艺参数表四 实验工艺参数挤出工艺参数一缆表加料段压缩段计量段机 头温度2.8 表五 性能测试 表五 性能测试一览表 测试项目 仪器设备 执行标准 2.9性能测试结果 表六 性能测试结果一览表 测试项目 测试结果 执行标准 3结果与讨论参 考 文 献1. 朱中平化工新材料应用手册，北京，中国物质出版社，20012. Lehn J M.Polym Int.2002,51:8253. 汪艳华，丁长松等：合成橡胶工艺（5），290,19924. Long Yu, Shanks, Robert A.PP-elastomer-filler hybrids. Journalof Applied Polymer ScienceJ,1996,61(11):1 8771 8815. Guo H F,Packirisamy S,Mani R S, et al.Compatiblizing effects of block copolymers in low -density polyethylene/polystyrene blendsJ.Polymer,1998,39(12):2 4952 505.6. 张明善，白雪峰：中国塑料（2）.1，19897. 上海塑料制品工业研究所编译聚乙烯泡沫塑料，P13，轻工业出版社，19788. 冯蕾，童兵：塑料科技（4）.27.19919. 张留成等：工程塑料应用，NO3,73,199010.USP 4,040,103(1977);4,101,605(1978)11.秋山三郎：热硬性树脂，Vol.9,NO4,34,198812.尼尔生著，丁佳鼎译高分子复合材料的力学性能，295页，轻工业出版社，198113. 周殿明,张丽珍编著 聚丙烯成型技术问答M.北京：化学工业出版社 200714. Chen Bin,Li Xiliang,Xu Shengqing,et al.Compatiblization effects of block copolymers in high density polyethylene/syndiotactic polystyrene blendsJ.Polymer, 2002, 43(3):953961.15.黄丽聚合物复合材料.北京，中国轻工业出版社，200116. 徐定宇，常秀贞等：高分子材料科学与工程，（6），89,199317.程其时：塑料加工与应用（4），15,1990高分子材料加工专业学生设计型实验成绩评定单成绩评定办法：查阅文献、制订实验方案 30分，工艺实验、性能测试、动手操作能力30分，设计型实验报告40分，满分100分。90-100分为优秀，80-89为良好，70-79为中等，60-69为及格，60以下为不及格。学生姓名班级实验题目综合成绩查阅文献、制订实验方案 30分工艺实验、性能测试、动手操作能力30分设计型实验报告40分 合 计 成 绩 评 定指导教师综合评语高分子材料专业设计性实验实验方案审查考核情况表学生姓名学院班级实验题目审