非金属粉体母粒的加工及其在塑料中的应用

1、非金属粉体母粒的加工及其 在塑料中的应用 李宝智 /包头瑞智表面改性剂厂【摘要】本文主要介绍了非金属粉体的母粒加工及其应用的效果,阐述了非金属粉体的表面改性、母粒的加工、 应用效果和应注意的问题等。其母粒填加到塑料制品中,均能起到一定的功能作用。【 关 键 词 】 非 金 属 粉 体 、 表 面 改 性 、 母 粒 、 功 能 性 、 塑 料 制 品 。近 年 来 我 国 的 塑 料 加 工 业 的 发 展速度很快,其产品已达到 2500万 吨 左 右 ,所 用 的 非 金 属 矿 粉 体 也 达 到 10%以上,并且初级产品较多, 随 着 塑 料 行 业 进 入 从 数 量 主 导 型 向

2、质 量 、 品 种 、 效 益 为 主 导 的 产 业 结 构 过 渡 和 升 级 的 阶 段 ,对 所 需 填 加 的 非 金 属 粉 体 的 性 能 要 求 也 就 越 高 。 其 中 改 性 非 金 属 粉 体 与 载 体 树 脂 加 工 成 的 功 能 填 充 母 粒 , 就 是 其 中 的 一 类 , 并 且 是 非 金 属 粉 体 深 加 工 重 要 的 一 部 分 , 也 是 非 金 属 粉 体 加 工 的 延 深 产 品 。在 塑 料 加 工 业 所 使 用 的 树 脂 中 , 除 聚 氯 乙 烯 树 脂 以 外 的 多 数 塑 料 制 品 的 原 料 ,都 是 几 毫 米 的

3、 颗 粒 料 , 而 超 微 细 的 非 金 属 粉 体 只 有 几 分 微 米 至 几 十 纳 米 , 两 者 的 体 积 差 别极大,密度相差悬殊,很难混匀。 而 且 挤 出 机 和 注 塑 机 对 物 料 是 沿 轴 向 方 向 的 混 匀 性 很 有 限 , 加 之 加 工 设 备 的 震 动 , 树 脂 颗 粒 上 浮 ,造 成 料 斗 下 料 时 组 份 不 匀 , 产 生 离 析 。 另 外 粉 体 颗 粒 很 小 时 (如 纳 米 C a C O3,其比表面积很大,表面能高 , 使 颗 粒 间 的 吸 引 力 增 大 , 造 成颗 粒 团 聚 。 由 此 必 将 造 成 成 型

4、 的 塑料 制 品 中 组 份 不 匀 , 这 不 仅 使 材 料性 能 得 不 到 保 证 ; 且 由 于 物 料 组 份的 波 动 , 很 难 实 现 稳 定 的 加 工 成型 。 而 采 用 母 粒 法 可 得 到 组 份 均 一的 成 型 制 品 , 也 可 实 现 加 工 成 型 的稳 定 性 。 并 且 还 可 弥 补 表 面 改 性 时未 能 完 全 解 决 的 分 散 问 题 , 使 其 在塑 料 制 品 的 应 用 中 可 以 很 好 的 起 到功 能 性 的 效 果 。1、非金属粉体母粒的加工所 谓 非 金 属 粉 体 母 粒 ,就 是 将所 要 填 加 的 某 种 非 金

5、 属 粉 体 与 适 当比例的载体树脂混合、混炼、塑化、造 粒 , 制 成 与 塑 料 制 品 的 基 体 树 脂体 积 相 近 的 颗 粒 。 非 金 属 粉 体 母 粒是 由 非 金 属 粉 体 , 载 体 树 脂 和 助 剂三 大 部 分 组 成 。在 母 粒 加 工 前 ,应 用 表 面 改 性剂 对 非 金 属 粉 体 进 行 表 面 改 性 , 以增 强 其 分 散 性 , 提 高 与 树 脂 的 交 联性 等 。1.1非金属粉体和载体树脂的选择 非 金 属 粉 体 母 粒 的 加 工 , 应 根 据 塑料 制 品的 技 术 性 能要 求来选择 非 金 属 粉 体 ,并 要 求 能

6、 在 塑 料 制 品 中 起 到 一 定 的 功 能 性 作 用 。如用煅 烧 高 岭 土 可 加 工 成 保 温 母 粒 、电缆 母 粒 ; 重 钙 粉 体 可 加 工 成 填 充 母 粒、降解母粒;滑 石 粉 可 加 工 成 工 程 塑 料 用 母 粒 ,氢 氧 化 铝 和 氢 氧 化 镁 粉 体 可 加 工 成 阻 燃 母 粒 ; 纳 米C a C O3可加工成地膜、包装膜及其 它 制 品 的 功 能 母 粒 等 。一般 选择非 金属粉体的粒度在 1250目以上,加 工 成 母 粒 后 ,应 用 到 塑 料 制 品 中 能 起 到 功 能 性 的 作 用 。载 体 树 脂 的 选 择 ,

7、应 先 根 据 非 金属 母 粒应 用 于 某 种塑 料 基体树脂 的制品,来 确 定 和 采 用 其 同 类 的 树 脂 做 为 载 体 树 脂 ,以 使 母 粒 与 基 体 树 脂 有 良 好 的 相 熔 性 。一般 应选择 熔 体 流 动 速 率 高 , 熔 点 较 低 的 树 脂 , 特 别 是 载 体 树 脂 的 熔 融 粘 度 , 应尽 可 能与 所 要 填 充的 基 体树脂接论文选萃 Thesis14 15近,也 可 将 两 种 树 脂 复 合 后 作 为 载 体 树 脂 使 用 。1.2非金属粉体的表面改性由 于 非 金 属 粉 体 与 有 机 高 分 子 树 脂 的 极 性

8、不 同 ,相 互 之 间 的 亲 合 性差,加 之 非 金 属 粉 体 颗 粒 之 间 也 存 在 着 团 聚 等 问 题 ,造 成 在 载 体 树 脂 中 的 分 散 不 均 匀 。因此,首先应 对 粉 体 进 行 表 面 改 性 ,降 低其 表 面 能,解 决 其 团 聚 问 题 ,增 强与 树 脂 的 交 联 性 和 粉 体 的 分 散 性 。粉体的 表 面 改 性 分 为 湿 法 和 干 法 。干 法 表 面 改 性 工 艺 简 单 , 成 本 低 。 而 湿 法 的 表 面 改 性 工 艺 复 杂 , 成本高,但 表 面 改 性 的 质 量 要 好 于 干法。湿 法 表 面 改 性

9、,一 般在 池 或 槽 中 用 搅 拌 机 搅 拌 改 性 ,也有湿法 改 性 的 专 用 设 备 ,但 在 改 性 时 所 需 的 改 性 剂 用 量 比 较 大 ,在浆 液 中 达 到一定 的 浓度时才 能得 到好 的 改 性 效果,而 后 还 要 进 行 脱 水 和 干 燥 等 工序。并 且 在 干 燥 时 ,温 度过 高 时 对 改 性 的 效 果 也 有 一 定 的 影 响 。所 以,在 使 用 干 法 改 性 能 达 到 技 术 要 求 的 情 况 下 , 均 宜 采 用 干 法 改 性 。 一 般 颗 粒 较 大 的(微 米 级 的可用 高 速 捏 合 机 加 分 级 机 进 行

10、 表 面 改 性,颗粒较细(小 于 微 米 级 的可 用 气 溶 胶 法 进 行 表 面 改 性 。经 表 面 改 性 后 的 非 金 属 粉 体 分 散到树脂中后,在该区域树脂 -改 性 剂 -非 金 属 粉 体 之 间 可 产 生 一 种 良 好 的 界 面 结 合 ,这 主 要 是 改 性 剂 在 其 中 起 到 了 一 种 桥 梁 作 用 。所 以 表面改性 剂和助 剂的 选择 是 粉 体 表 面 改 性 的 重 要 一 环 。可 根据 不 同 粉 体 种 类 和 用 途 等 ,选 择 改 性 剂 和 助剂。一 般 硅 酸 盐 类 粉 体 宜 选 用 硅 烷 偶联剂,碳 酸 盐 类 粉

11、 体 宜 选 用 钛 酸 脂 或 铅 酸 脂 偶 联 剂 。由 于 纳 米 颗 粒 的 非 金 属 粉 体 (如纳米 C a C O 3的表面积是微米的 几 十 倍 至 百 倍 以 上 , 并 且 都 有 较 高 的 表 面 活 性 。 如 果 用 大 量 的 表 面 改 性 剂 对 纳 米 粒 子 进 行 表 面 改 性 , 形 成 单 分 子 的 包 覆 , 这 样 就 可 能 造 成 主 要 是 表 面 改 性 剂 与 树 脂 的 接 触 。 由 于 引 力 位 能 与 粒 径 成 正 比 , 排 斥 位 能 与 粒 子 的 粒 径 平 方 成 正 比 。 对 一 定 粒 径 的 粒 子

12、 而 言 , 引 力 位 能 随 粒 径 减 少 的 速 度 远 小 于 排 斥 位 能 减 少 的 速 度 。 因 此 纳 米 粒 子 聚 集 体 内 表 现 出 极 强 的 引 力 作 用 , 要 使 其 达 到 原 生 粒 子 粒 径 的 分 散 状 态 , 在 工 业 化 生 产 中 是 很 难 达 到 的。为此对纳米 C a C O 3采取适当的表 面 改 性 处 理 , 保 持 一 定 的 分 散 性 , 然 后 再 用 加 工 母 粒 的 办 法 弥 补 其 不 足 , 以 达 到 其 应 用 的 目 的 。1.3非金属母粒的加工将 改 性 粉 体 与 所 选 择 的 载 体 树

13、 脂 , 按 所 需 比 例 加 入 到 高 速 捏 合 机 中,同时加入其它助剂,进行搅拌、 混 合 后 即 可 用 于 母 粒 的 加 工 。母 粒 加 工 设 备 应 选 择 同 向 双 螺 杆 挤 出 机 。 它 的 特 点 是 连 续 密 闭 , 产 品 质 量 稳 定 , 生 产 效 率 高 。 同 时 螺 杆 上 混 合 、 塑 化 、 混 炼 功 能 的 螺 纹 是 根 据 需 要 制 成 组 合 的 块 状 元 件,称 之 为 积 木 式 螺 杆 。并且要根据 不 同 的 基 体 原 料 选 择 不 同 长 径 比 螺 杆 的 挤 出 造 粒 机 。混 配 好 的 混 合 料

14、 送 到 挤 出 机 的 料 仓 , 然 后 进 入 主 机 进 行 混 合 、 塑 化 、 混 炼 、 挤 出 、 热 切 、 风 冷 (或 冷 切 等 工 序 , 即 可 生 产 出 非 金 属母 粒 产 品 。 也 可 根 据 塑 料 制 品 的 技 术 性 能 要 求 , 加 工 出 其 它 各 种 专 用 系 列 母 粒 。母 粒 加 工 时 要 根 据 不 同 比 例 的 配 料 量 以 及 树 脂 的 技 术 参 数 , 选 择 不 同 的 加 工 温 度 及 螺 杆 的 转 速 等 。 挤 出 机 的 排 气 口 最 好 使 用 真 空 泵 排 气,并 宜 安 装 两 个 排

15、气 口 。这主要 是 考 虑 到 物料 在 螺杆 与 筒 体 之间熔 融、剪切、混炼、挤 压 过 程 中 温 度 升高后,将 产 生 许 多 气 体(包括水 蒸气、低分子物的气体等 ,若不及 时 排 出 , 则 易 与 使 有 用 的 物 料 降 解,性 能 变差 ,降 低 产 品 质 量 ,同 时 生 产 出 的 母 粒 易 产 生 小 气 孔 ,直 接 影 响 到 塑 料 制 品 的 质 量 。2、非金属粉体母粒的应用效果一般用 400目非金属粉体加工 的母粒,是 以 填 充 料 在 塑 料 制 品 中 应用,只 是 能 达 到 增 量 和 降 低 成 本 的效果,难 以 满 足 很 多

16、塑 料 制 品 的 163002401801204001020304050冲 击 强 度 /(J /m C a C O 3含量 /%图 1 H D P E /C a C O 3复合材料的冲击强度与 C a C O 3含量的关系 1 处理纳米 C a C O 3体系 2 未处理纳米 C a C O 3体系功能性要求。而用十微米至纳米级非 金属粉体加工的母粒,弥补了这些缺 陷,且能起到较好的功能性的效果。三 种 粒 度 (m 的 改 性 重 钙 母 粒 相 同 的 量 分 别 填 加 到 P E 树 脂 中,吹膜后的拉伸强度(M p a ,纵 /横 :38m :21. 3/20;10m :30.

17、2/29. 1;5m :33. 2/32. 3。改性与未改性的纳米级 C a C O 3的 母 粒 以 不 同 的 量 填 加 到 P E 树 脂 中其冲击强度是不相同的,如图 1。三种不同的 10u m 粉体母粒相 同 的 量 分 别 填 加 到 P E 树 脂 中 , 吹 膜后的远红外线的阻隔率(%为:空白, 50;碳酸钙, 61;远红外陶瓷 粉, 72;高岭土, 86。用 非 金 属 粉 体 和 载 体 树 脂 可 加 工 出 多 种 类 型 的 功 能 母 粒 ,这主要 是 根据非 金 属粉体 的一 些独 特 的 功 能 性来加 工 出塑料 制品 所需 的 功 能 母 粒 ,以 提 高

18、 塑 料 制 品 的 功 性 能 。3、讨论在 母 粒 加 工 工 序 中 , 对 粉 体 的 表 面 改 性 是 十 分 重 要 的 ,这直接关 系 到 其 特 性 能 否 发 挥 功 能 性 的 问 题 。 由 于 粉 体 颗 粒 很 细 , 比 表 面 积大,表面能高,相互之间的团聚,对 塑 料 制 品 的 功 能 性 提 高 不 大 。 所 以 , 为 了 减 小 粉 体 颗 粒 的 团 聚 , 提 高 其 分 散 性 ,降 低 其 表 面 能 ,同时 考 虑 到 它 与 基 体 树 脂 能 起 到很 好 的 交 联 作 用 等 问 题 。就 一 定 要 对 其 粉 体 颗 粒 进 行

19、 表 面 改 性 。由 此 可改 善 粉 体 颗 粒 与 基 体 树 脂 之 间 的界 面 交 联性,提 高 它 在 基 体 树 脂 中 的 分 散 性 , 这 对 塑 料 制 品 的 成 型 加 工 和 产 品 质 量 及 长 期 使 用 都 十 分 有 益 。填 加 改 性 重 钙 的 粒 度 越 细 的 母 粒,P E 膜的拉伸强度就越高。这说 明,并 非 所 有 的 填 充 非 金 属 粉 体 的 树 脂 体 系 的 拉 伸 强 度 都 低 于基 体 树 脂。因 为 所 填 加 的 母 粒 中 的 非 金 属 粉 体 的 粒 度 细 、比 表 面 积 大 ,又通 过 有 针 对 性 的

20、 表 面 改 性 处 理 和 造 粒,其 分 散 性 能 提 高 ,并 能 与基 体 树 脂 的 界 面 有 更 好 的 结 合 , 在 拉 伸 应 力 的 作 用 下 微 细 非 金 属 粉 体 颗 粒 可 能 与 基 体 树 脂 一 起 移 动 和 变 形 , 且 受 外 界 负 荷 的 有 效 截 面 增 加 。所 以,经 表 面 改 性 的 粒 度 细 、分散性 好、交 联 性 好 的 非 金 属 粉 体 加 工 成 母 粒 后 , 按 一 定 比 例 加 到 树 脂 中 ,其体 系 的拉 伸 强 度 是有 可 能高于基 体 树 脂 的 。 但 不 是 填 加 量 越 高 越好 , 而 是 在 一 定 的 填 加 范 围 内 可 以 达 到 这 一 效 果 。未 经 表 面 改 性 的 纳 米 C a C O 3与 P E 基 体 间 也 是 具 有 一 定 的 界 面 粘 接 作 用 力 ,对 P E 树 脂 有 一 定 的 增 强 增 韧 作 用 。 经 表 面 改 性 处 理 的 纳米 C a C O 3与 P E 粘接的效果要好 于 未 改 性 的 , 这 主 要 是 经 改 性 后 的 纳米 C a C O 3的分散性及与树脂的 交 联 性 都 得 到 了 提 高 , 起 到 了 应 力 集 中 的 点 的 作 用