广源集团:改性硅灰石在聚丙烯树脂中的应用研究

来源:慧正资讯 2025-03-19 10:14

慧正资讯:硅灰石被认为是一种质优价廉的天然无机矿物微纤维,通常呈现片状、放射状或纤维状集合体。天然硅灰石通常呈现白色或灰白色,主要成分是偏硅酸钙, 密度2.78-2.91g/cm3,硬度4.5-5.0。

硅灰石具有许多优良性能,包括无毒、耐化学腐蚀、吸油性和吸水性低、突出的力学性能、良好的热稳定性和尺寸稳定性等。由于这些独特的性质,硅灰石在高分子树脂复合改性领域表现出巨大的应用潜力,可以改善复合材料的尺寸稳定性和表面光滑性,提高复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能。

但是,硅灰石微粉的表面性质与常用树脂基体显著不同。为了充分发挥硅灰石粉自身独特的针状结构和优异的物理化学性能,非常有必要对其进行表面化学改性使其和树脂基体表面性质相同,从而实现对树脂的增强、增量和改进制品性能的作用。

本研究采用低聚短链烷基硅烷对江西广源化工生产的硅灰石GY-4000进行表面改性,并将改性后的硅灰石和聚丙烯树脂复合,研究表面改性硅灰石对PP树脂基复合材料的密度、熔融指数、热变形温度、拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等综合性能的影响。

1  实验部分

1.1 改性硅灰石粉体制备

称取5kg干燥后硅灰石粉加入到高速混合机中进行表面改性,加入计量的低聚短链烷基硅烷,设置反应温度为50℃,改性时间为20min,搅拌速度1250r/min,经过设定时间的高速搅拌后,反应产物经低速搅拌冷却出料。

1.2 PP树脂基复合材料制备

PP树脂基复合材料按照如下配方进行生产制备, PP:3000g,硬脂酸:30g,钙锌稳定剂:15g,复合抗氧剂:6g,硅灰石:分别为450g、600g、750g和900g。将配好的各种原材料在高速搅拌机中混料10min保证各物料组分混合均匀,采用双螺杆挤出机在挤出温度为175-190℃下进行挤出造粒,将粒料在真空烘箱中烘干24h以上,然后采用注塑机在注塑温度200-220℃和压力50-70MPa进行注塑成型,注塑得到的标准样条静置24h进行性能测试。

1.3 性能测试与结构表征

按照GB/T 1033.1-2008测试样品的密度;按照GB/T 3682-2000测试熔融指数,温度230℃,压力设为2.16kg;按照GB/T 1633-2000测试样品的热变形温度;按照GB/T1040-2006测试样品的拉伸性能,拉伸速度为10mm/min;按照GB/T9341-2008测试样品的弯曲强度和弯曲模量,试验速度为2mm/min。

2  结果与讨论

2.1 改性硅灰石对PP树脂基复合材料密度的影响

图1为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料密度的影响。从图中可知,与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入增大了复合材料的密度,且密度与硅灰石的添加份数成正比关系。填充份数为0时,纯树脂的密度为0.898g/cm3,填充份数为20时,PP树脂基复合材料的密度增长到0.997g/cm3,进一步增大填充份数为30时,PP树脂基复合材料的密度增长到1.049g/cm3。

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图1 硅灰石含量对PP树脂基复合材料密度的影响

2.2 改性硅灰石对PP树脂基复合材料熔融指数的影响

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图2 硅灰石含量对PP树脂基复合材料熔融指数的影响

图2为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料熔融指数的影响。测试结果表明,纯PP树脂的熔融指数为2.76g/10min,填充份数为20的PP树脂基复合材料的熔融指数为2.788g/10min,填充份数为30的PP树脂基复合材料的熔融指数为2.676g/10min。与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入对PP树脂基复合材料的熔融指数未产生显著影响,说明高含量硅灰石的填充不会使PP树脂基复合材料的加工流动性变坏,这对于树脂基复合材料的加工成型具有重要的意义。

2.3 改性硅灰石对PP树脂基复合材料热变形温度的影响

图3为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料热变形温度的影响。从图3可以清楚的知道,改性硅灰石的加入显著改善了PP树脂基复合材料的热性能。与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入明显提高了PP树脂基复合材料的热变形温度,硅灰石添加份数为20份时其热变形温度达到最高82.5℃,提升幅度为9.9℃(13.6%),说明改性硅灰石的加入提高了材料的热稳定性,有利于PP树脂基复合材料及其器件在较高温度下的使用安全和寿命。

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图3 硅灰石含量对PP树脂基复合材料热变形温度的影响

2.4 改性硅灰石对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响

图4为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料拉伸强度的影响。从图4可知,纯PP树脂的拉伸强度为22.818MPa,填充份数为20的PP树脂基复合材料的拉伸强度为21.555Mpa,填充份数为30的PP树脂基复合材料的拉伸强度为20.251MPa。结果表明,与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入轻微降低了PP树脂基复合材料的拉伸强度,说明硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度。

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图4 硅灰石含量对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响

2.4 改性硅灰石对PP树脂基复合材料拉伸强度的影响

图4为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料拉伸强度的影响。从图4可知,纯PP树脂的拉伸强度为22.818MPa,填充份数为20的PP树脂基复合材料的拉伸强度为21.555Mpa,填充份数为30的PP树脂基复合材料的拉伸强度为20.251MPa。结果表明,与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入轻微降低了PP树脂基复合材料的拉伸强度,说明硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度。

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图5 硅灰石含量对PP树脂基复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响

图5为硅灰石的填充含量对制备的PP树脂基复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响。与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入明显提高了PP树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量,硅灰石添加份数为25份时PP树脂基复合材料的弯曲强度最大为35.89 MPa,提升幅度为3.541MPa(10.9%),硅灰石添加份数为30份时PP树脂基复合材料的弯曲模量最大值1909.5Mpa,增大了435.4MPa(34.2%)。

3  结论

采用低聚短链烷基硅烷对江西广源化工有限责任公司生产的硅灰石GY-4000进行表面改性,将制备的改性硅灰石作为填料与PP树脂复合制备出复合材料,详细研究了改性硅灰石对PP树脂基复合材料综合性能的影响。结果表明:

(1)与纯PP树脂相比,改性硅灰石的加入增大了复合材料的密度,且密度与硅灰石的添加份数成正比关系。

(2)改性硅灰石的加入对PP树脂基复合材料的熔融指数未产生显著影响,说明高含量硅灰石的填充不会使PP树脂基复合材料的加工流动性变坏。

(3)改性硅灰石的加入显著改善了PP树脂基复合材料的热性能,有利于PP树脂基复合材料及其器件在较高温度下的使用安全和寿命。

(4)改性硅灰石在高填充量的情况下基本不会损失PP树脂基复合材料的拉伸强度,反而明显提高了PP树脂基复合材料的弯曲强度和弯曲模量。

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