包覆天然云母粉增韧PP复合材料的研究

陈秀宇+林谦+余美琼+陈国奋+林渊智

摘 要：采用硬脂酸表面活性剂和硅烷偶联剂对天然云母进行表面包覆改性后制备出PP/包覆天然云母复合材料，并对云母包覆影响因素和材料的增韧性能进行研究。实验结果表明：以硅烷偶联剂改性云母制备的PP/云母复合材料的性能较好，增韧的最佳工艺条件为：云母用量为20%，硅烷偶联剂用量1.2%（均以云母质量计），云母改性时间30min。

关键词：聚丙烯;云母粉;包覆;增韧

中图分类号： Q178.53         文献标识码： A            文章编号： 1673-1069（2016）33-190-2

0  引言

聚丙烯（PP）的填充改性可在降低成本的基础上，实现对材料力学性能的改善，扩展聚丙烯的应用范围。近年来，层状填料云母由于其独特的平面增强效应，受到了越来越多的关注和青睐[1-2]。云母填充改性PP塑料正在向金属材料及较昂贵的工程塑料挑战，云母作为理想的增容、增强、多功能PP填料，得到人们的普遍关注[3]。云母与聚丙烯的极性差异较大，其分散效果和界面结合不够好，往往导致所制

得的复合材料性能较差，所以要对云母表面进行预处理并且对其表面进行改性。目前普遍采用偶联剂对云母进行表面改性来降低云母表面极性，改善其与聚丙烯之间的亲合力[4-5]。

本文采用不同改性剂对云母表面改性，用FTIR和活化指数两种方法来表征和评价，通过单因素实验优化改性工艺条件，以期制备出具有良好性能的优质云母粉填充PP制备复合材料。

1  实验试剂

云母粉，福州坤彩有限公司;硅烷偶联剂（KH-560），南京联硅化工有限公司;聚丙烯（PP）树脂，中国石化海南炼油化工有限公司;无水乙醇、无水碳酸钠、盐酸、硬脂酸等均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

2  实验仪器

SHJ-36型双螺杆挤出造粒机：中国南京聚力化工机械有限公司;YCT160-4A型冷切粒机：泰州市华泰调速电机厂;MH-35T型塑料注塑成型机：东莞市铭辉塑胶机械有限公司;HMT500型高速混合机：苏州科晟泰机械设备有限公司;PC180型塑料破碎机：中国南京聚力化工机械有限公司，Nicolet380型傅立叶红外光谱仪：美国尼高力公司;XJ-50D型复合冲击试验机：承德建德检测仪器有限公司;KTZ400型熔融指数仪：苏州科晟泰机械设备有限公司。

3  云母的表面改性

3.1 云母微粉的预处理

由于云母表面掺杂着许多的金属杂质，因此必须对其表面进行预处理实验。处理方法：用10%的碳酸钠溶液以1：10的固液比（g/mL）加至4000mL量杯中清洗20min后抽滤，抽滤后用5%的盐酸溶液以1：10的固液比（g/mL）清洗20 min，抽滤，将处理后的云母在300℃烘箱烘干24h成微粉状，研磨过100目标准筛备用。

3.2 硬脂酸对云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉，加入高速混合机中，用电动搅拌机进行搅拌，同时进行油浴加热，当粉体温度升至90～100℃时加入一定量经无水乙醉溶解的硬脂酸表面活性剂（硬脂酸：无水乙醇体积为1：2），保持温度，再进行一定时间的高速搅拌，从而获得改性云母微粉。

3.3 硅烷偶联剂对云母微粉的表面改性

取烘干云母微粉加入高速捏合机中高速搅拌，同时进行油浴加热， 当粉体温度升至70～80℃时加入一定量经稀释后氨水， 继续高速搅拌， 并加热。当粉体温度升至120～125℃时加入一定量经乙醇稀释的硅烷偶联剂，保持温度，再进行一定时间的高速搅拌， 从而获得硅烷改性云母微粉。

4  表面改性的活化指数H

活化指数H=上浮物的质量/（上浮物的质量+下沉物的质量）。

H值在0～1之间进行变化，可反映出粉体表面活化程度的大小，即反映粉体改性优劣的情况。活化指数值越大，说明粉体表面疏水性越强，改性效果越好[12]。

5  复合材料的制备

将干燥的改性云母微粉与二甲基硅油和PP树脂根据不同的配方在高速混合机中混合8～10min，再用造粒机熔融共混匀速地挤出拉条，经冷却后用冷切粒机进行切粒，粒料经过吹干干燥后用注射成型机注射成带有V型缺口的标准样条，进行冲击性能测试。

6  结果与讨论

6.1 云母的红外光谱分析

将云母原样和改性后云母进行红外表征。白云母有3636cm-1的OH振动峰，1200cm-1～900cm-1和800cm-1～600cm-1范围内的Si（Al）—O振动、550cm-1～400cm-1范围的Si（Al）的特征吸收峰。改性后3438cm-1有所增强，硅烷KH-560改性后粉体在云母在2921cm-1和2842cm-1左右的峰有所增强，从红外光谱图看，改性云母表面的偶联剂，让其表面的分散性得到很好的改善，从光谱图上可以看出未发现有新化学键结合的峰，因此，改性后的云母主要以表面物理包覆的作用。

6.2 云母的改性

在云母微粉表面选择不同种类的改性剂进行改性，以便探究云母微粉的改性效果。本实验选用了硬脂酸和硅烷偶联剂来改性云母，分别对其用量和改性时间进行比较，测出改性后的活化指数。

为确定硬脂酸改性云母微粉的最佳用量，对硬脂酸用量（以云母质量计）做单因素实验，其它工艺条件不变。试验用100目云母，称取一定量的云母，搅拌改性时间60 min，加入用硬脂酸改性剂改性的云母测定的活化指数。

硬脂酸表面活性剂不断的增加，活化指数明显呈现上升趋势，硬脂酸表面活性剂的用量为1.0%～2.0%时上升趋势最明显，超过2.0%时趋于平缓，所以，从经济因素方面来看，选择2.0%的硬脂酸为最佳用量。

利用以上单因素实验选择了最佳硬脂酸用量之后，考虑硬脂酸对云母改性时间的影响，硬脂酸用量为2.0%，其余工艺条件与上述工艺条件相同，硬脂酸改性云母时间对活化指数的影响，从图3中可知：活化指数随着改性时间增加而增大，但当时间超过60min之后，活化指数变化较小，从时间效益方面来看，选择硬脂酸最优改性时间为60min。

综上所述，选择硬脂酸表面活性剂的最佳改性用量为2.0%，选择云母改性的最佳改性时间为60min。

7  结论

采用硬脂酸和硅烷两种改性剂对云母进行表面包覆改性研究，利用熔融共混法制备PP/云母复合材料，探讨其最优的增韧工艺条件，结果如下：

①从原样云母及改性云母的红外光谱图可以看出，硅烷偶联剂KH560改性云母微粉没有新化学键出现，是以物理包覆作用为主。

②两种改性剂分别对云母微粉的改性效果作比较，得出硅烷偶联剂的改性效果要比硬脂酸较佳。

③云母用量为20%时复合材料的缺口冲击强度最高。当云母用量在20%～25%时复合材料熔融指数效果最优。

④包覆改性的云母增韧填充PP制备的复合材料的最佳工艺条件为：云母用量为20%，硅烷偶联剂用量1.2%（以云母质量计），云母改性时间30min。

参 考 文 献

[1]  杨春萍，伍玉娇，刘昌贵.聚丙烯/云母复合材料改性研究进展[J].现代塑料加工应用，2013，25（3）：57-59.

[2] Kaiz.H.S & Milewski.J.V. Handbook of Fillers and Reinforeemends for Piastics.New York.1978.

[3] 吴唯，钱琦，周高仁.PP/云母复合材料的增容效果及其界面结构[J].塑料工业，2000，28（6）：13-18.

[4] 胡圣飞，彭少贤，郭文迅，等.PP/云母复合材料力学性能研究[J].塑料科技，2000（2）：13-18.

[5] 卜俊芬.白云母-硅灰石及POE增强增韧PP复合材料性能的研究[D].2008.11.

[6] 中华人民共和国国家标准，GB/T1043.1—2008/ISO179：2000.代替GB/T 1043—1993.塑料简支梁冲击性能的测定[S].

[7] 中华人民共和国国家标准.GB/T 3628—2000.idt ISO 1133：1997.热塑性塑料熔体质量流动速率和熔体体积流动速率的测定[S].

[8] 董金虎.共混方法及云母含量对PP/云母复合材料性能的影响[J].中国塑料，2012，25（3）：76-77.