聚丙烯/硅灰石复合材料的性能研究进展*

丁　茜，张　帆，许保卫

(湖南工学院材料与化学工程学院，湖南　衡阳　421002)



聚丙烯/硅灰石复合材料的性能研究进展*

丁茜，张帆，许保卫

(湖南工学院材料与化学工程学院，湖南衡阳421002)

硅灰石填充聚丙烯(PP)可以提高其刚性，并显著降低其生产成本。本文综述了PP/硅灰石复合材料的结晶行为、力学性能和热性能等方面的研究进展。硅灰石对PP结晶具有异相成核作用，能够提高PP的结晶温度，但主要形成α-PP。同时硅灰石对PP具有一定的增强和增韧作用，改善PP的模量和冲击强度。凭借独特的纤维结构，优异的增强效果和低廉的价格，硅灰石在PP改性领域具有广阔的应用前景。

聚丙烯；硅灰石；复合材料

硅灰石是一种新兴工业矿物，其工业制品主要有高长径比硅灰石(也叫针状硅灰石)和磨细硅灰石。在20世纪80年代，开始出现硅灰石填充聚丙烯(PP)的应用报道。硅灰石填充PP复合材料具有许多优点，例如高硬度、高刚性(弯曲强度)以及高的断裂伸长率。目前，关于硅灰石填充PP复合材料的研究主要针对PP的结晶行为与结晶形态、熔融特性、力学性能、流变特性和光热稳定性能等方面。

1　PP/硅灰石复合材料的结晶性能

硅灰石对PP结晶具有一定的异相成核作用，能够影响PP的结晶行为[1-4]，可以提高PP结晶温度，加快结晶速率，缩短结晶时间，减小PP球晶尺寸。硅灰石填充PP主要形成α-PP，同时伴随出现少量β-晶。

Liu等[1]研究硅灰石对PP结晶的异相成核作用以及对其熔融行为的影响，发现添加硅灰石可以提高PP的结晶温度，并诱导产生少量β-PP，β-晶含量随着硅灰石用量的增多而升高。动态力学测试结果表明硅灰石填充PP复合材料在高温区的阻尼高于纯PP。因此，认为硅灰石可作为PP的增强剂和成核剂。

严满清等[3]发现添加不同形貌硅灰石虽未改变PP晶型，但能不同程度地减小PP球晶的尺寸，针状硅灰石填充PP复合材料尤为明显。另外，针状硅灰石填充PP复合材料的结晶速率高于颗粒状硅灰石填充PP复合材料，而纯PP最慢。这证实了针状和颗粒状硅灰石对PP结晶都表现出异相成核作用，而颗粒状硅灰石具有的异相成核作用不及高长径比的针状硅灰石。

朱静安等[4]证实针状硅灰石具有异相成核作用，但发现只有部分硅灰石对PP结晶具有成核活性，且成核点多位于针状硅灰石的尖角和断面等存在晶体缺陷的位置。

2　PP/硅灰石复合材料的力学性能

无机填料的颗粒形状对PP的物理机械性能具有很大的影响，例如纤维状或者针状无机填料对PP的增强效果优于片状，而片状又优于粒状，即颗粒的长径比越大，对PP的增强性能就越好。原因是纤维状无机填料的运动频率大，受到外力作用后能快速传递能量，使其填充PP复合材料受力处的能量迅速传递并分散至整个材料范围而被吸收[5]。

针状硅灰石具有较大的长径比，能显著改善PP的模量和耐刮擦性能，因此可显著提高PP的刚性[6-17]。陈科[8]通过硅灰石粉填充改性PP，大大提高了PP/硅灰石复合材料的模量，PP缺口冲击强度的敏感性也得到明显改善；改性PP的耐热温度、硬度及加工性能得到一定提高，但其强度有所降低。

Dasari[10-12]等借助电子显微镜和原子力显微技术对硅灰石增强PP复合材料的划痕形变进行研究，观察到纯PP的刮槽密度大于硅灰石填充PP复合材料，归因于填充PP复合材料拉伸模量的增加。另外，深入探讨了硅灰石粒子对PP结晶行为、应力发白现象和应变速率的影响，发现硅灰石加入能够提高PP的成核速率和结晶度。Hadal 等[13-15]也证实硅灰石的加入使PP的拉伸变形从银纹撕裂的脆性破坏变为楔形、脊状、纤维状的脆性破坏，PP力学形变的敏感性则主要依赖于硅灰石与PP界面的结合能力。

填充PP复合材料的制备方法对硅灰石在PP中的分散和填充后PP的力学性能有一定影响。如Qu等[18]采用三螺杆挤出机制备硅灰石填充PP复合材料，发现涡轮混合有利于混合，同时交错共混有利于连续共混。相比于其他双螺杆挤出机，三螺杆挤出机不仅能有效改善硅灰石在PP中的分散和相容性，也可以提高PP的力学性能。

硅灰石填充PP复合材料力学性能的优劣与硅灰石在PP中的分散和两者之间界面粘结的好坏有很大关联。由于无机填料硅灰石与高分子材料PP之间的极性相差较大，导致硅灰石与PP的界面结合不好，界面处容易成为缺陷点，进而削弱硅灰石对PP的增强作用。因此，在改变制备工艺的同时使用偶联剂或者相容剂对硅灰石表面进行处理，可以显著改善硅灰石在PP中的分散，增强两者的界面粘结[19-24]。例如，Salas-Papayanopolos等[23]使用硬脂酸对硅灰石进行表面改性，根据红外谱图发现硬脂酸并未与硅灰石发生化学反应，但物理改性后的硅灰石填充PP复合材料的冲击强度和断裂伸长率都具有很高数值，在PP中的分散性也变好。

3　PP/硅灰石复合材料的其他性能

硅灰石也能够改善PP的热性能[17,24-25]，Luyt等[17]通过溶胶-凝胶法合成纳米结构硅灰石并对填充PP的热性能进行研究，发现硅灰石填充PP复合材料的起始热分解温度移向高温，在硅灰石含量为6 vol%时PP的起始热分解温度达到435 ℃，远高于纯PP(363 ℃)，原因是硅灰石阻碍了PP高分子链的流动，也可能是硅灰石与PP的不稳定降解产物之间存在相互作用，导致降解产物在熔融态PP中的扩散速度降低。郑水林等[24]发现硅灰石的加入能将PP的热变形温度从65.7 ℃提高至100.7 ℃。Radhakrishnan等[25]认为 PP的结晶行为依赖于熔体和环境之间的热传递过程，添加硅灰石等填料可以提高PP复合材料的热导率。

4　展　望

PP的抗冲击性不高、收缩率较大、在低温下易脆裂、光热条件下易发生氧化和老化，因此PP的力学性能和光热稳定性还有待提高。硅灰石是一种价廉、有效的热塑性塑料填料，硅灰石尤其是针状硅灰石对PP结晶具有异相成核作用，可提高PP结晶速率，增加PP结晶度。另外，硅灰石也能显著改善PP的刚性、抗磨损性能和热分解温度、降低PP制品的成型收缩率，从而获得高性能低成本的PP复合材料，因此具有广阔的工业应用前景。

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Research Progresses of Properties of Polypropylene/Wollastonite Composites*

DINGQian，ZHANGFan，XUBao-wei

(Department of Materials and Chemical Engineering, Hunan Institute of Technology,Hunan Hengyang 421002, China)

Wollastonite filled polypropylene (PP) can improve its stiffness and significantly decrease its production costs. The research progress of the crystallization behavior, mechanical properties and thermal performance of PP/wollastonite composites were summarized. Wollastonite had heterogeneous nucleation effect on the crystallization of PP to increase crystallization temperature of PP. However, wollastonite filled PP composites mainly formed α-PP. Furthermore, wollastonite had good toughening and reinforcing effects on PP, which can improve modulus and impact strength of PP. With particular fiber structure, excellent reinforcement effect and low price, wollastonite has wide prospect of application in the field of polypropylene modification.

polypropylene; wollastonite; composites

湖南省自然科学基金(2016JJ6033)；湖南工学院博士启动基金(HQ14013)。

丁茜(1986-)，女，讲师，主要从事聚合物基复合材料的改性研究。

TB332

A

1001-9677(2016)018-0006-03