史上最全常見無機(jī)填料分類及其在增強(qiáng)增韌聚合物的作用

/史上最全常見無機(jī)填料分類及其在加強(qiáng)增韌聚合物的作用聚丙烯由于其模量小，缺口敏感性強(qiáng)，沖擊強(qiáng)度低，特別是低不冷不熱高應(yīng)變速率下的沖擊強(qiáng)度低，作為工程塑料的應(yīng)用受到限制。通常加添PP的韌性是通過加入彈性體，但彈性體的加入往往使PP韌性加添的同時(shí)其他一些性能降低，如剛度、硬度等，因而人們嘗試用無機(jī)填料來加添PP的力學(xué)性能。加入無機(jī)填料能提高材料的多項(xiàng)力學(xué)性能和熱力學(xué)性能，包括剛度、抗蠕變性、熱變形溫度、收縮率等，但另一方面，無機(jī)填料的存在往往使材料的拉伸強(qiáng)度和韌性降低。無機(jī)填料對材料力學(xué)性能的影響重要倚靠于無機(jī)剛性粒子的形狀、粒徑大小、粒子團(tuán)聚體大小、粒子表面特征和聚合物基體的性能。下面我將介紹常用的無機(jī)填料在加強(qiáng)增韌聚合物中應(yīng)用。碳酸鈣在加強(qiáng)增韌聚丙烯中的應(yīng)用碳酸鈣產(chǎn)品分為重質(zhì)碳酸鈣和輕質(zhì)碳酸鈣。重質(zhì)碳酸鈣簡稱重鈣，英文簡稱為GCC，是用機(jī)械方法直接粉碎天然的方解石、石灰石、白至、貝殼等制得。由于重質(zhì)碳酸鈣的沉降體積比輕質(zhì)碳酸鈣的沉降體積小，所以稱之為重質(zhì)碳酸鈣。目前工業(yè)生產(chǎn)重質(zhì)碳酸鈣重要有二種工藝，一種是干法，一種是濕法。干法工藝與濕法相比可生產(chǎn)出成本較低，用途廣泛的產(chǎn)品。輕質(zhì)碳酸鈣簡稱輕鈣，又稱沉淀碳酸鈣，英文簡稱為PCC，是將石灰石等原材料鍛燒生成石灰重要成分為氧化鈣和二氧化碳，再加水消化石灰生成石灰乳重要成分為氫氧化鈣，然后再通入二氧化碳碳化石灰乳生成碳酸鈣沉淀，最后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得?；蛘呦扔锰妓徕c和氯化鈣進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，然后經(jīng)脫水、干燥和粉碎而制得。碳酸鈣是最早被應(yīng)用于填充加強(qiáng)增韌PP的無機(jī)填料之一，且一直以來，微米級(jí)碳酸鈣的應(yīng)用都處于主導(dǎo)地位。討論表明，碳酸鈣的加入能使PP的沖擊強(qiáng)度上升，但拉伸強(qiáng)度降低，輕質(zhì)碳酸鈣的加入能同時(shí)提高的沖擊強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，并且用硬脂酸處理過的PCC效果更好，用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理過的碳酸鈣能顯著提高PP的沖擊強(qiáng)度。隨著納米級(jí)碳酸鈣的顯現(xiàn)，人們發(fā)覺，用納米碳酸鈣能同時(shí)加強(qiáng)增韌，且增韌效果比微米級(jí)碳酸鈣更好。討論表明，納米碳酸鈣的形態(tài)不同，復(fù)合材料的力學(xué)性能也大不一樣。立方形納米碳酸鈣有利于改善復(fù)合材料的沖擊性能，而纖維狀納米碳酸鈣則能明顯改善材料的拉伸性能，納米碳酸鈣能使PP球晶明顯的細(xì)化，并能促進(jìn)晶型的生成。玻璃微珠在加強(qiáng)增韌聚丙烯中的應(yīng)用玻璃微珠是一種新型的硅酸鹽材料，包括實(shí)心和空心兩種。通常將粒徑為0.5—5mm的玻璃珠稱為細(xì)珠，粒徑在0.4mm以下的稱為微珠；微珠依據(jù)不同的來源有多種，粉煤灰玻璃微珠是粉煤灰中提取出的一種輕質(zhì)微型球狀物質(zhì)，它的重要成分是二氧化硅，還含有多種金屬氧化物，粉煤灰玻璃微珠有耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，用于填充塑料不僅可加添材料的耐磨、抗壓、阻燃等性能，而且，它特別的球形表面還可提高材料的加工流動(dòng)性，另外，它表面光澤度好，可加添制品的表面光澤，削減表面的污垢吸附。玻璃微珠（GB）被廣泛用于PP的加強(qiáng)增韌。討論表明，隨著GB用量的加添，單、雙螺桿擠出PP/GB復(fù)合材料的拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和模量均呈線性增長的趨勢，而屈服強(qiáng)度則有小幅下降；斷裂應(yīng)變在低含量時(shí)有所提高，然后快速下降，單、雙螺桿擠出材料的沖擊強(qiáng)度均有所提高，并在肯定范圍內(nèi)隨GB用量的加添而增大，且單螺桿擠出材料的沖擊強(qiáng)度略高于雙螺桿擠出材料，GB粒徑對PP/GB復(fù)合材料的韌性有較大影響。硅酸鹽礦物在加強(qiáng)增韌聚丙烯中的應(yīng)用目前，應(yīng)用和討論最為廣泛的硅酸鹽礦物有滑石粉、蒙脫土、硅灰石等，其中凹凸棒石、沸石也受到較多關(guān)注?；酆兔擅撏粒∕MT）均為層狀硅酸鹽礦物。滑石粉為片狀結(jié)構(gòu)的硅酸鎂鹽類礦物，通常其粒度越細(xì)分散效果越好，可提高材料的熱變形溫度及表面干凈度；MMT層間距較大，常采納插層法制備PP復(fù)合材料，MMT在PP基體內(nèi)可形成良好的插層結(jié)構(gòu)，從而提高PP的抗沖擊及尺寸穩(wěn)定性。凹凸棒石（ATP）是鏈層狀硅酸鹽。ATP是一種天然一維納米材料硅酸鹽礦物，其基本結(jié)構(gòu)單元為針狀或短纖維狀單晶體，ATP可以在微米填充和納米加強(qiáng)兩個(gè)水平上與聚丙烯進(jìn)行復(fù)合，提高材料的力學(xué)性能。這種新型的粘土短纖維克服了一般玻璃纖維加強(qiáng)樹脂的流動(dòng)性差、外觀粗糙、對加工設(shè)備磨損嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因而擁有較高開發(fā)價(jià)值。硅灰石是單鏈硅酸鹽礦物，通常呈片狀、放射狀或纖維狀集合體。討論表明，硅灰石填充塑料不但可以提高其力學(xué)性能，而且可以代替玻璃纖維使用，削減成本，但隨著填充量的加添，復(fù)合材料的硬度變大，對加工設(shè)備的磨損較嚴(yán)重。沸石為架狀硅酸鹽礦物。它擁有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，能夠通過吸附或負(fù)載功能粒子，制備功能性較強(qiáng)的聚丙烯復(fù)合材料，提高產(chǎn)品的附加值。因此開發(fā)PP/沸石功能性復(fù)合材料極具潛力，成為目前討論和關(guān)注的熱點(diǎn)。鈦白粉在加強(qiáng)增韌聚丙烯中的應(yīng)用鈦白粉的化學(xué)成分為二氧化鈦，有金紅石型和銳鈦礦型，金紅石型是最穩(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)，結(jié)構(gòu)致密，硬度、耐候性和抗粉化性等優(yōu)于銳鈦型，對大氣中的各種化學(xué)物質(zhì)穩(wěn)定，不溶于水，耐熱性好。鈦白粉加入以后不僅可提高產(chǎn)品白度，還可削減紫外線的破壞作用，可提高聚丙烯的光老化性能，還可提高制品的剛性、硬度和耐磨性，但其和PP相容性較差，對其進(jìn)行增容改性非常必要?？偨Y(jié)近年來，聚丙烯/無機(jī)剛性粒子復(fù)合材料越來越被青睞，為其綜合性能的進(jìn)一步提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大開墾了新的途徑。目前，如何有效促進(jìn)無機(jī)剛性粒子在復(fù)合體系中的分散及無機(jī)剛性粒子與基體的結(jié)合，依舊是改性的重點(diǎn)，而建立聚丙烯無機(jī)剛性粒子復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)模型，對復(fù)合體系進(jìn)行界面分子設(shè)計(jì)，通過無機(jī)剛性粒子與聚合物的表面物理化學(xué)改性，界面相容劑的合成，確定適合的加工工藝，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的界面分子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)