稀土偶联剂活化纳米CaCO3改性纸塑复合材料在管材中的应用研究

张友新

（新疆天业集团有限公司，新疆石河子832000）

稀土偶联剂活化纳米CaCO3改性纸塑复合材料在管材中的应用研究

张友新

（新疆天业集团有限公司，新疆石河子832000）

介绍了以稀土偶联剂对纳米CaCO3进行表面活化处理，并作为改性剂对废旧纸塑复合材料进行生产管材的方案。探讨了纸塑复合材料的配方、纸塑编织袋的处理、工艺及制备方法。结果表明：经稀土偶联剂活化处理的纳米CaCO3进行改性的纸塑复合材料，可改善纸塑复合材料的加工性能，增强物料的界面黏结强度，提高管材的力学性能。

稀土偶联剂；活化；纳米CaCO3；改性；纸塑复合材料；管材

纸塑复合材料是由废旧纸塑编织袋与聚丙烯（PP）的混合料，并加入适量的稀土偶联剂活化处理的纳米CaCO3进行改性，挤出生产的管材。纸的主要成分是木质素，是复杂的非结晶性高分子聚合物，而聚丙烯（PP）是属于热塑性高分子材料，二者属于不同类型的高分子材料。由于木质材料的强极性和吸水性，使其具有很高的表面能，这样就限制了两者的相容性。因此必须通过改性，使纳米CaCO3的表面能由无机性向有机性过渡来增大与树脂的相容性[1]，增强物料的界面黏结强度，以改善和提高物料的加工性能和产品的力学性能。研究者考虑到生产的实用性，采用了以稀土偶联剂为主要处理剂对纳米CaCO3进行表面活化处理，从而提高纸塑间的黏结强度。通过实践表明，采用本方法改性的纸塑复合材料生产的管材，成本低，强度高，外观光泽。

1 实验部分

1.1 主要原料

废旧纸塑编织袋废料：新疆天业佳美包装有限公司；稀土偶联剂WOT；广东炜林钠功能材料有限公司；纳米CaCO3：平均粒径50 nm，内蒙古蒙西高新材料股份公司；消泡剂：ZBH305，青岛中宝化学有限公司；PP回收料：市售。

1.2 设备及仪器

破碎机：SWP-600，宁波市北仑金明螺杆制造有限公司；造粒机：SJZ120，青岛威瑞特制造有限公司；高速混合机SRL-2500/1000，乌鲁木齐博士通商贸有限公司；拌料机：BL-100，乌鲁木齐博士通商贸有限公司；干燥机：XK-25，无锡东宇胜机械制造有限公司；锥形双螺杆挤出机：SJ2-65/140，上海经纬机械制造有限公司；电子多功能试验机：CMF-45O4，天水三思新技术有限公司。

1.3 复合材料的制备

将纸塑编织袋废料先通过破碎机粉碎为3～5 mm的碎片，然后进行单螺杆挤出机造粒。将造粒料70份（质量份）和20份PP回收料及8份稀土偶联剂活化处理的纳米CaCO3，按比例加入到高速混合机内搅拌均匀，时间为8 min。再加入2份消泡剂进行搅拌，当温度达到85℃时放料，便得到表面处理好的复合材料。

将表面处理好的复合材料加入到锥形双螺杆挤出机中，经加热、挤出、冷却、定型和牵引制成直径为63 mm的管材。其工艺控制条件见表1。

表1 工艺条件

2 结果与讨论

2.1 纳米CaCO3的活化

活化是对物料进行表面活化处理或分子官能团化处理改性的一种有效技术方法，有利于改善体系的相容性，增加界面的黏结性能，提高产品的强度和韧性。采用稀土偶联剂对纳米CaCO3进行表面活化处理。其活化方法:将轻质纳米CaCO3分为100份，稀土偶联剂用量为纳米CaCO3质量份的1.5%投入高速混合机内捏合至温度75℃，时间8～10 min，排料转入冷混，冷混温度控制在40℃时放料，便制备得到纳米CaCO3活化料。

2.2 活化纳米CaCO3的改性机理

偶联剂作为无机填料的表面改性剂，能使粉体纳米CaCO3粒子较好地分散于树脂基体中，使填料与树脂间形成化学键，实现界面偶联作用，增强界面黏结强度。由于纳米CaCO3是由稀土偶联剂作为处理剂的，其活化纳米CaCO3的改性机理偶联剂分子中存在两种不同的基团。一种基团，可与无机物表面化学基团反应，形成强固的化学键，即与粉体表面微量的水分形成羟基，与偶联剂进行化学反应或物理吸附形成强有力的化学键；另一部分基团，可与有机高分子材料具有很好的相容性，能与高分子材料的长链进行物理缠绕，从而把两种性质不同的材料牢固地结合起来[2]。也就是把无机材料与高分子材料的界面连接起来，形成网状结构，增加相互间的键合力，从而提高木质素与高分子材料的黏结强度和产品的力学性能。

2.3 管材的力学性能

从单纯使用纸塑编织袋与聚丙烯（PP）的混合料加工管材，如果不加偶联剂处理改性，物料的加工稳定性不好，表面粗糙，管材内含有大量未分散开的纳米CaCO3聚集体，不易成型。其主要原因是二者相溶性差，界面粘接强度低[3]。当加入适量的稀土偶联剂对纳米CaCO3进行表面处理的活化料，产品的拉伸强度和抗冲击性能得到了显著提高。同时由于纸的主要成分是木质素，湿度较大，为了消除物料内产生的气泡，可适量加入一定的消泡剂。通过大量的实践，加入适量的活化纳米CaCO3和消泡剂还可调节聚合物熔体的流变性能，改善物料的加工性能和稳定性。其纸塑管材的力学性能见表2。

表2 纸塑管材的力学性能

3 结论

（1）加入适量的稀土偶联剂处理的纳米CaCO3作为改性剂，可有效地改善废旧纸塑编织袋与PP共混料的加工性能和相容性，能把木质纤维素与高分子材料的界面连接起来，形成网状结构，增加相互间的键合力，使界面黏结强度增强，产品的力学性能得到提高。

（2）加入适量消泡剂，可有效消除物料在生产过程中产生的气泡，改善物料的加工性能和产品的外观质量。

[1]武德珍，白宗武.稀土偶联剂处理CaCO3填充PVC复合材料及其性能的研究[J].现代塑料加工应用，1996(1):10-13.

[2]吕世光.塑料助剂手册（偶联剂）[M].北京：轻工业出版社，1986：712-715.

[3] 郭建国，孙岩峰.聚合物/木质素共混复合材料的研究进展[J].塑料科技，2010(9):97-99.

Application research on nano CaCO3composite materials activated by rare earth coupling agent in pipe

ZHANG Youxin
（Xinjiang Tianye Group Co.,Ltd,Shihezi 832000，China）

The rare earth coupling agent of nano CaCO3surface activation treatment which was used as modifier in waste paper-plastic composite materials for pipe production was introduced.The formulation of the paper-plastic composite,paper-plastic woven bag treatment,preparation process and method were discussed.The results showed that the modification on paper-plastic composite materials with the nano CaCO3activated by the rare earth coupling agent can improve the processing performance of paper-plastic composite materials,strengthen material interface bond intensity and improve the pipe mechanic performance.

rare earth coupling agent;activation;Nano CaCO3;modification;paper-plastic composite materials;pipe

X783

A

1674-0912（2013）02-0043-02

2012－11－07）

张友新（1958-），男，山东即墨市人，高级工程师，中国塑料加工工业协会专家，新疆节能减排专家，主要从事塑料加工及模具研发工作。