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填料在工程塑料中应用

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填料在工程塑料中应用

发布日期:2017-12-14 作者: 点击:

无机填料在工程塑料改性中占有重要地位,结晶性塑料,如聚丙烯、POM、PET、PA等,由于其模量小,缺口敏感性强,冲击强度低,作为工程塑料的应用受到限制。添加无机填料改性之后,工程塑料可以明显提升其强度、改善翘曲。本文以聚丙烯(Polypropylene)和尼龙(Polyamide)为例,科普无机填料在工程塑料改性中的应用,起到举一反三的效果:

【玻璃纤维】

▲玻纤生产车间(池窑拉丝工艺)

玻璃纤维是常用于工程塑料的填料,其主要成分为二氧化硅及其他衍生金属氧化物等。目前国际主流生产工艺为池窑拉丝法,根据玻璃中碱含量的多少,可分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维和高碱玻璃纤维。工程塑料常用的玻纤以无碱短切玻璃纤维及无捻长玻纤为主,添加玻纤后,工程塑料会有如下变化:

▲工程塑料常用短切玻纤

优点:

1、增强刚性和硬度,玻纤的增加可以提高塑料的强度和刚性;

2、提高耐热性和热变形温度;以尼龙为例,增加了玻纤的尼龙,热变形性温度至少提高30℃以上,一般的玻纤增强尼龙耐温都可以达到220℃以上;

3、提高尺寸稳定性,降低收缩率;

4、减少翘曲变形;

5、减少蠕变;

6、降低吸湿性。

缺点:

制品模量上升,韧性会下降;

对阻燃性能有不良影响,因为烛芯效应,会干扰阻燃体系,影响阻燃效果;

玻纤外露会降低塑料制品表面的光泽度等。

【玻纤处理】玻纤的长短直接影响材料的脆性,玻纤如果处理不好,短纤会降低冲击强度,长纤处理好会提高冲击强度。要使得材料脆性不至于下降很大,就要选择一定长度的玻纤。

【玻纤含量】产品的含纤量多少也是一个关键的问题,行业内一般采取15%、25%、30%、50%等整数含量,具体需要根据产品的用途来决定玻纤的含量。

【结论】要获得好的力学性能及表面效果,玻纤的直径、长度选择及后续改性时的表面处理、玻纤含量等都至关重要!

【碳酸钙】

碳酸钙产品分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。

▲工程塑料用轻质碳酸钙(PCC)

重质碳酸钙简称重钙,英文简称为GCC,是用机械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白至、贝壳等制得。由于重质碳酸钙的沉降体积比轻质碳酸钙的沉降体积小,所以称之为重质碳酸钙。目前工业生产重质碳酸钙主要有二种工艺,一种是干法,一种是湿法。干法工艺与湿法相比可生产出成本较低,用途广泛的产品。

轻质碳酸钙简称轻钙,又称沉淀碳酸钙,英文简称为PCC,是将石灰石等原料锻烧生成石灰主要成分为氧化钙和二氧化碳,再加水消化石灰生成石灰乳,主要成分为氢氧化钙,然后再通入二氧化碳,碳化石灰乳生成碳酸钙沉淀,最后经脱水、干燥和粉碎而制得。或者先用碳酸钠和氯化钙进行复分解反应生成碳酸钙沉淀,然后经脱水、干燥和粉碎而制得。

碳酸钙是最早被应用于填充增强增韧PP的无机填料之一,且一直以来,微米级碳酸钙的应用都处于主导地位。研究表明,碳酸钙的加入能使PP的冲击强度升高,但拉伸强度降低,轻质碳酸钙的加入能同时提高的冲击强度和屈服强度,并且用硬脂酸处理过的PCC效果更好,用钛酸酯偶联剂处理过的碳酸钙能显著提高PP的冲击强度。

▲电子显微镜下碳酸钙的晶体结构

随着纳米级碳酸钙的出现,人们发现,用纳米碳酸钙能同时增强增韧,且增韧效果比微米级碳酸钙更好。研究表明,纳米碳酸钙的形态不同,复合材料的力学性能也大不一样。立方形纳米碳酸钙有利于改善复合材料的冲击性能,而纤维状纳米碳酸钙则能明显改善材料的拉伸性能,纳米碳酸钙能使PP球晶明显的细化,并能促进β晶型的生成。

【玻璃微珠】

玻璃微珠是一种新型的硅酸盐材料,包括实心和空心两种。通常将粒径为0.5-5mm的玻璃珠称为细珠,粒径在0.4mm以下的称为微珠;微珠根据不同的来源有多种,粉煤灰玻璃微珠是粉煤灰中提取出的一种轻质微型球状物质,它的主要成分是二氧化硅,还含有多种金属氧化物,粉煤灰玻璃微珠有耐高温、导热系数小等优点,用于填充塑料不仅可增加材料的耐磨、抗压、阻燃等性能,而且,它特殊的球形表面还可提高材料的加工流动性,另外,它表面光泽度好,可增加制品的表面光泽,减少表面的污垢吸附。

▲玻璃微珠填料

玻璃微珠(GB)被广泛用于PP的增强增韧。研究表明,随着GB用量的增加,单、双螺杆挤出PP/GB复合材料的拉伸模量、弯曲强度和模量均呈线性增长的趋势,而屈服强度则有小幅下降;断裂应变在低含量时有所提高,然后迅速下降,单、双螺杆挤出材料的冲击强度均有所提高,并在一定范围内随GB用量的增加而增大,且单螺杆挤出材料的冲击强度略高于双螺杆挤出材料,GB粒径对PP/GB复合材料的韧性有较大影响。

【硅酸盐矿物】

目前,应用和研究最为广泛的硅酸盐矿物有滑石粉、蒙脱土、硅灰石等,其中凹凸棒石、沸石也受到较多关注。

滑石粉和蒙脱土(MMT)均为层状硅酸盐矿物。滑石粉为片状结构的硅酸镁盐类矿物,通常其粒度越细分散效果越好,可提高材料的热变形温度及表面光洁度;MMT层间距较大,常采用插层法制备PP复合材料,MMT在PP基体内可形成良好的插层结构,从而提高PP的抗冲击及尺寸稳定性。

凹凸棒石(ATP)是链层状硅酸盐。ATP是一种天然一维纳米材料硅酸盐矿物,其基本结构单元为针状或短纤维状单晶体,ATP可以在微米填充和纳米增强两个水平上与聚丙烯进行复合,提高材料的力学性能。这种新型的粘土短纤维克服了一般玻璃纤维增强树脂的流动性差、外观粗糙、对加工设备磨损严重等缺点,因而拥有较高开发价值。

硅灰石是单链硅酸盐矿物,通常呈片状、放射状或纤维状集合体。研究表明,硅灰石填充塑料不但可以提高其力学性能,而且可以代替玻璃纤维使用,减少成本,但随着填充量的增加,复合材料的硬度变大,对加工设备的磨损较严重。

▲水处理级沸石粉体

沸石为架状硅酸盐矿物。它拥有丰富的孔道结构,能够通过吸附或负载功能粒子,制备功能性较强的聚丙烯复合材料,提高产品的附加值。因此开发PP/沸石功能性复合材料极具潜力,成为目前研究和关注的热点。

【钛白粉】

▲钛白粉(袋装)

钛白粉的化学成分为二氧化钛,根据结晶形式不同,有金红石型和锐钛矿型,金红石型是最稳定的结晶形态,结构致密,硬度、耐候性和抗粉化性等优于锐钛型,对大气中的各种化学物质稳定,不溶于水,耐热性好。钛白粉加入以后不仅可提高产品白度,还可减少紫外线的破坏作用,可提高聚丙烯的光老化性能,还可提高制品的刚性、硬度和耐磨性,但其和结晶性材料,如PP、PA等相容性较差,对其进行增容改性十分必要。

另外还有多种无机填料

如石墨填充(增加材料自润滑性能)

碳纤维填充(增加材料刚性、导电性等等)

▲短切碳纤维


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