微晶白云母的表面修飾及其與核-殼型ACR共同改性PVC材料的研究.pdf

1、PVC是世界五大通用塑料之一,占合成樹脂總量的30％左右,具有不易燃燒、耐腐蝕、絕緣、隔離效果良好等特點(diǎn),其產(chǎn)量僅次于聚乙烯而居于世界樹脂產(chǎn)量的第二位,是應(yīng)用領(lǐng)域最廣的塑料品種之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,其硬制品主要用于管、棒、異型材、建材、室內(nèi)地板裝飾材料、各種板材家具、玩具、運(yùn)動器材、醫(yī)用管件、包裝涂層等。但其硬制品普遍存在性脆、韌性差、以及耐熱性、熱穩(wěn)定性差的缺陷,因此限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。如何有效提高PVC材料的綜合性能,拓寬其應(yīng)

2、用領(lǐng)域,是當(dāng)今PVC材料研究中急需解決的重要問題之一。
　　 已有研究表明,采用無機(jī)剛性粒子可有效提高高分子材料的性能,不但能保持高分子材料自身的一些優(yōu)異性能,還可以增加高分子材料的韌性,賦予高聚物基復(fù)合材料更高的力學(xué)性能和電學(xué)性能等。但不同類型無機(jī)剛性粒子填料對提高高分子性能的程度有一定差異,同時無機(jī)剛性粒子在高分子材料基體中容易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,分散性不好。因此,如何選擇合適的填料,并選用合適的改性劑和改性工藝對其表面進(jìn)行修飾,

3、使之在PVC材料基體中均勻分散,在滿足制品性能及加工性能要求的同時又提高填充量。
　　 川西地區(qū)微晶白云母是一種新型白云母類礦物資源,性能優(yōu)良,儲量豐富,與其他常見的硅酸鹽礦物相比,微晶白云母具有高強(qiáng)度、耐熱、耐酸堿、絕緣、化學(xué)穩(wěn)定、耐候性、防紫外線、抗老化等優(yōu)異的性能;與傳統(tǒng)的白云母礦物相比,它具有天然粒度細(xì)、易磨碎、化學(xué)活性高的特性,是一種高品質(zhì)的無機(jī)剛性粒子,在高聚物中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 論文選用川西地區(qū)微

4、晶白云母礦物為填料,硅烷偶聯(lián)劑KH-550為表面修飾劑,核-殼型ACR樹脂為抗沖改性劑,PVC樹脂為材料基體,采用熔融共混法制備了微晶白云母/ACR/PVC復(fù)合材料。優(yōu)化了硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面修飾微晶白云母的工藝條件,研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性能、復(fù)合加工性能、微觀形貌等,探討了微晶白云母、ACR及其協(xié)同改性PVC的機(jī)理。論文取得的主要成果如下:
　　 1.采用干法改性技術(shù)表面修飾微晶白云母粉體時,攪拌速度、表面修

5、飾時間及表面修飾劑用量等工藝條件對表面修飾效果有明顯的影響。在試驗(yàn)研究范圍內(nèi),當(dāng)微晶白云母的粒徑在1μm～5μm之間,平均粒度為4.825μm時,表面修飾微晶白云母礦物粉體的較佳工藝條件為:攪拌速度25000 r/min、表面修飾時間300 s、硅烷偶聯(lián)劑KH-550用量1.2％。
　　 2.微晶白云母是改性PVC材料的高品質(zhì)無機(jī)剛性填料,但直接添加未經(jīng)表面修飾的微晶白云母,不能有效提高微晶白云母/PVC復(fù)合材料的綜合性能,這是

6、由于未經(jīng)表面處理的微晶白云母表面親水,與PVC的界面相容性很差,處于兩相分離狀態(tài),隨著填料含量的增加,體系中由微晶白云母造成的空洞與缺陷越多,材料能承受的外力越小。
　　 3.在力學(xué)性能方面,以硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面修飾后的微晶白云母為填料,能顯著提高微晶白云母/PVC復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。隨著微晶白云母的添加量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度均出現(xiàn)先提高后降低的趨勢,當(dāng)微晶白云母的添加量為35～40份時,復(fù)合材料

7、的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度均趨于最高值,分別比純的PVC提高了24.2％～26.8％和28％～30％,其楊氏模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和硬度隨微晶白云母添加量的增加逐漸增大,在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)(微晶白云母添加量5～45份),復(fù)合材料的楊氏模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和硬度最大值分別比純PVC提高了65.5％、15.2％、71.6％、32.8％。綜合分析認(rèn)為,當(dāng)經(jīng)表面修飾微晶白云母添加量為35～40份時,微晶白云母/PVC復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最佳,

8、同時可大幅度降低PVC材料的成本。
　　 4.具有核-殼結(jié)構(gòu)ACR的加入能顯著提高微晶白云母/ACR/PVC復(fù)合材料的韌性。在試驗(yàn)研究范圍內(nèi),相同的微晶白云母添加量(35份)下,當(dāng)ACR的添加量在12份時,微晶白云母/ACR/PVC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度達(dá)到11.5 KJ/m2,為微晶白云母/PVC復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的167％,為純PVC沖擊強(qiáng)度的213％,但會使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量等有所降低。綜合分析認(rèn)為,當(dāng)ACR樹脂的添加

9、量在3～9份時,微晶白云母/ACR/PVC復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)良。
　　 5.添加經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面修飾的微晶白云母,可顯著提高PVC材料的熱穩(wěn)定性,隨著微晶白云母粉體添加量的增加,微晶白云母/PVC復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和維卡軟化溫度越高,熱穩(wěn)定性越好。當(dāng)微晶白云母的添加量為35～40份時,PVC復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和維卡軟化溫度分別提高了5.1℃～7.9℃和16.4℃～20.2℃。ACR的加入能進(jìn)一步提高

10、微晶白云母/PVC復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg,在相同的微晶白云母添加量(35份)下,ACR添加量在3～9份時,ACR的加入對微晶白云母/PVC復(fù)合材料的維卡軟化溫度影響不大,仍比純PVC提高了愈14.3℃～17.6℃,改善了復(fù)合材料的耐熱性,延緩了材料老化。
　　 6.微晶白云母礦物粉體的加入會影響PVC材料的復(fù)合加工性能,隨著微晶白云母添加量的增多,微晶白云母/PVC復(fù)合材料的塑化時間變長,轉(zhuǎn)矩變大,不利于加工。但引入ACR

11、后,復(fù)合材料的塑化時間縮短,有利于復(fù)合加工。
　　 7.復(fù)合材料沖擊斷面的SEM分析結(jié)果表明,以未經(jīng)表面修飾微晶白云母為填料,其在PVC基體中分布不均,且與PVC基體之間存在明顯空隙,界面結(jié)合力較弱;以經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550表面修飾微晶白云母為填料,其在PVC基體中分布均勻,且顆粒被PVC基體包裹,增強(qiáng)了微晶白云母顆粒與PVC的界面的結(jié)合力。隨著微晶白云母粒子的增加,PVC材料基體中的微晶白云母粒子之間的距離逐漸靠近,能有效的

12、形成應(yīng)力傳遞點(diǎn),提高了微晶白云母/PVC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。進(jìn)一步引入ACR,微晶白云母/ACR/PVC復(fù)合材料中出現(xiàn)“微孔”結(jié)構(gòu),“微孔”尺寸為200 nm,顯著提高了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。
　　 8.微晶白云母與ACR協(xié)同改性PVC樹脂機(jī)理研究表明,ACR、微晶白云母與PVC熔融共混后,ACR樹脂的殼層PMMA與PVC基體的相容性很好,其分子鏈互相纏繞;而核層PBA由于是交聯(lián)結(jié)構(gòu),不溶不融,不能與PVC分子鏈相互纏繞,作為彈性