產(chǎn)品品牌：天函

產(chǎn)品型號(hào)：硅灰石粉

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：9001

熱膨脹系數(shù)：6.5

類別：一級(jí)

原產(chǎn)地：江西

硅灰石改性及填充工程塑料ABS的研究

摘要對(duì)硅灰石粉的表面改性效果及填充ABS塑料力學(xué)性能的研究表明，不同的改性劑改性劑用量、改性時(shí)間等工藝條件對(duì)硅灰石的改性效果有重要影響。經(jīng)γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷改性后的硅灰石填充工程塑料ABS，增強(qiáng)了復(fù)合材料的剛性和熔體流動(dòng)性，其他力學(xué)性能雖有小幅下降，但不影響其在工程上的使用；同時(shí)降低了ABS塑料使用的成本，在填充量為20%時(shí)，可降低成本15%。

關(guān)鍵詞硅灰石改性填充ABS

硅灰石屬于鏈狀偏硅酸鹽，化學(xué)分子式為CaSiO3，粉碎后，顆粒呈纖維狀或針狀。硅灰石無毒，具有低吸油性、低吸水性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，白度高，并有獨(dú)特的粉體纖維，應(yīng)用廣泛。而改性硅灰石粉體，因其表面性能得到改善，提高了其疏水親油的能力，應(yīng)用于塑料、橡膠基體材料中，能更均勻地分散，并與基體材料有很強(qiáng)的親和性能，可改善塑料、橡膠制品的力學(xué)性能和抗老化性能。工程塑料是指可作為結(jié)構(gòu)性材料使用的塑料，可在較寬的溫度范圍和較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持優(yōu)異性能，并能承受較高機(jī)械應(yīng)力和在較為苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中長(zhǎng)期使用[1]。但與通用塑料相比，工程塑料因價(jià)格昂貴，使用受到限制。本試驗(yàn)對(duì)硅灰石進(jìn)行表面改性，分析了改性條件對(duì)改性效果的影響，并對(duì)改性硅灰石填充ABS的性能進(jìn)行了研究。

1試驗(yàn)

1.1主要原料、設(shè)備及儀器

樹脂基材為ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物)，中國(guó)石油吉林石化分公司；硅灰石微粉，原礦來自青海都蘭縣海寺，硅灰石礦物含量為＞90%，CaO41.74%；SiO251.25%，d90為13.81μm，長(zhǎng)徑比為11，白度80；硅烷偶聯(lián)劑，γ-氨丙基三乙氧基硅烷(WD-50)、γ-(2,3-環(huán)氧丙氧基)丙基三甲基硅烷(WD-60)、γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(WD-70)，武漢大學(xué)有機(jī)硅新材料股份有限公司。改性助劑氨水(分析純)，市售；塑料助劑，有增塑劑(DEP)、抗氧劑(1010)、分散劑(石蠟)、潤(rùn)滑劑(硬脂酸鈣)等。

實(shí)驗(yàn)室用高速捏合機(jī)，GH-10DY型，北京英特塑料機(jī)械總廠；雙螺桿配混擠出機(jī)，SJSH-30型，南京橡塑機(jī)械廠；冷切粒機(jī)，LQ-100，南京橡塑機(jī)械廠；注射成型機(jī)，CJ50E-2型，震德塑機(jī)廠；靜滴接觸角測(cè)量?jī)x，JC2000A，上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；掃描電鏡，日本JEOL公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，RGD-5，深圳市瑞格爾儀器有限公司；巴氏硬度計(jì)，HBa-1型，無錫市計(jì)量科學(xué)研究所；熔體流動(dòng)速率儀，ZRZ-40型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司。

1.2硅灰石微粉表面改性由于硅灰石微粉具有親水疏油性，與ABS的兼容性差，為提高它與ABS的兼容性，須對(duì)它進(jìn)行表面改性，從而改善它在聚合物體系中的分散性。硅灰石微粉采用GH-10DY型高速捏合機(jī)進(jìn)行表面改性，攪拌速度1250r/min，改性助劑氨水用量為1%，氨水用蒸餾水以2∶1的比例稀釋，改性工藝流程見圖1[2,5]。

1.3改性效果測(cè)試

1.3.1潤(rùn)濕接觸角：取改性硅灰石微粉壓片，用靜滴接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量其潤(rùn)濕接觸角，測(cè)試溶液為水。

圖1

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1.3.2活化指數(shù)：取一定量的改性硅灰石微粉加到燒杯中，加入蒸餾水，經(jīng)劇烈攪拌，靜止分層后，分別取出上浮物M1和下沉物M2，干燥后，稱其質(zhì)量，活化率為M1/(M1 M2)。

1.4ABS/硅灰石復(fù)合材料制備一次的試樣總量為600g；塑料助劑用量：DEP2%、10100.5%、石蠟0.5%、硬脂酸鈣0.2%。擠出造粒工藝參數(shù)：擠出溫度170~185℃，螺桿轉(zhuǎn)速140~160r/min。注射成型工藝參數(shù)：溫度190~220℃，注射時(shí)間6s，保壓時(shí)間14s。ABS/硅灰石復(fù)合材料制備工藝流程[3,5]：(改性硅灰石微粉，ABS和助劑)→混料→擠出復(fù)合→造粒→注射成型→后處理→性能測(cè)試。

1.5復(fù)合材料性能測(cè)試方法拉伸性能，GB/T1040-1992；彎曲性能，GB9341-88；沖擊性能，GB/T1843-80(89)；巴氏硬度，GB/T9342-1988；熔體流動(dòng)速率，GB3682-83。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1不同改性工藝條件對(duì)改性效果的影響

2.1.1不同改性劑的影響：以相同的改性劑用量1%和相同的改性條件(改性溫度120℃、改性時(shí)間20min)，分別采用WD-50、WD-60、WD-70作為改性劑，對(duì)硅灰石微粉進(jìn)行改性，結(jié)果見表1。從表1可看出，WD-70的改性效果比其他兩種的好。

表1

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2.1.2不同改性劑用量的影響：以WD-70作為改性劑，改性溫度120℃、時(shí)間20min，對(duì)不同改性劑用量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。從圖2可看出，隨改性劑用量增加，潤(rùn)濕接觸角和活化指數(shù)都在不斷增大，當(dāng)改性劑用量大于1%時(shí)，增加趨勢(shì)變緩。綜合經(jīng)濟(jì)因素考慮，改性劑用量應(yīng)控制在1%左右。

圖2

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2.1.3改性時(shí)間的影響：以WD-70作為改性劑，改性劑用量1%，改性溫度為120℃，對(duì)不同改性時(shí)間進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。從圖3可看出，隨改性時(shí)間的延長(zhǎng)，潤(rùn)濕接觸角和活化指數(shù)都在不斷增大，當(dāng)改性時(shí)間長(zhǎng)于20min時(shí)，增加趨勢(shì)變緩，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，改性效果增加不明顯。因此，較適宜的改性時(shí)間應(yīng)為20min。

圖3

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2.2硅灰石填充量對(duì)復(fù)合材料性能的影響從圖4a可看出，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨硅灰石填充量的增加，先增大后減小，在硅灰石填充量為20%時(shí)，達(dá)到峰值。說明20%是硅灰石填充ABS拉伸強(qiáng)度的臨界量，超過此填充量，硅灰石粉體在ABS樹脂連續(xù)相中的分散性變差，硅灰石與樹脂基體界面粘結(jié)變差，易產(chǎn)生界面脫粘。但填充量20%的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度仍低于純ABS，不過下降幅度較小，僅下降了13.2%，且顯著高于ABS樹脂國(guó)標(biāo)GB12672-90的最低要求(27MPa)。從圖4a還可看出，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨硅灰石填充量的增加而減少，但其最小值也高于上述國(guó)標(biāo)的最低要求(47MPa)。

從圖4b可看出，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨硅灰石填充量的增加而下降，而其硬度則隨硅

圖4

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灰石的填充量增加而增大，最高能達(dá)到純ABS的2.7倍。這說明硅灰石的加入，使復(fù)合材料的韌性變差，而剛性得到增強(qiáng)。

從圖4c可看出，復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率隨硅灰石填充量的增加而增大，最高能達(dá)到純ABS的1.75倍，這說明硅灰石的加入，使復(fù)合材料的流動(dòng)性得到改善。

2.2復(fù)合材料拉伸斷面的微觀結(jié)構(gòu)分析從圖5可看出，隨硅灰石填充量的增加，硅灰石粒子在ABS基體中的分散性變差，易聚集成團(tuán)，使復(fù)合材料在微觀上出現(xiàn)不均勻性。同時(shí)在拉伸斷面上還能看到，硅灰石粒子被不同程度拔出的現(xiàn)象。從圖5c可明顯看到，有大顆粒的硅灰石粒子被拔出的痕跡。這說明硅灰石粒子與ABS基體的粘結(jié)不佳，在受外力作用時(shí)，易于脫粘，導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能有所下降。相比較而言，圖5b的兩相界面較模糊，硅灰石粒子被拔出的也較少。說明硅灰石粒子與ABS基體結(jié)合較好，力學(xué)性能也相對(duì)較好，這與前2.2節(jié)分析的結(jié)果相吻合。

硅灰石填充量：a-10%；b-20%；c-40%

圖5

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3結(jié)論

1.對(duì)硅灰石改性工藝條件的研究表明，γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(WD-70)比γ-氨丙基三乙氧基硅烷(WD-50)和γ-(2,3-環(huán)氧丙氧基)丙基三甲基硅烷(WD-60)的改性效果要好。在溫度120℃、WD-70用量1%、時(shí)間20min條件下，硅灰石的改性效果較好。

2.硅灰石填充ABS的力學(xué)性能研究結(jié)果表明，改性硅灰石的加入，使復(fù)合材料的剛性和熔體流動(dòng)性得到增強(qiáng)，其他力學(xué)性能雖有所下降，但不影響其在工程上的使用，且能降低成本。從試驗(yàn)結(jié)看，硅灰石較適宜的填充量為20%，此填充量的復(fù)合材料的成本比純ABS降低了15%。同時(shí)，硅灰石作為工程塑料的填料，與其他填料相比具有自己的優(yōu)勢(shì)：與輕鈣、滑石粉相比，硅灰石填充體系黏度低，可進(jìn)行高填充，有利于節(jié)約樹脂、降低成本；與碳酸鈣相比，硅灰石填充體系耐化學(xué)腐蝕性好，對(duì)增塑劑吸收量小，制品表面光潔度好；與玻璃纖維相比，則具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)；硫酸鈣、滑石粉和白炭黑等，一般都含結(jié)晶水，受熱時(shí)有脫水問題，而硅灰石則具有較好的熱穩(wěn)定性。因此，硅灰石是一種較好的工程塑料填料。