硅灰石替代滑石粉在聚丙烯复合材料中的应用

肖小兵，宋建强，邱文福

(江西广源化工有限责任公司，江西吉安 331500)

聚丙烯(PP)是我们生活中应用最广泛、用量最大的五大热塑性树脂之一，PP原料来源丰富、生产工艺简单、价格低廉，且具有良好的力学性能、电绝缘性能、热性能和耐化学腐蚀性，被广泛应用于各类注塑制品、挤出成型制品、中空制品等改性塑料领域[1-3]。

由于PP为结晶性聚合物，成型收缩率大、受热时容易氧化降解，低温脆性大，因此对PP进行改性制成复合材料就成为了一个重要的研究课题，滑石粉拥有特殊构型的片状结构，分布在PP树脂中起到骨架支撑作用，被认为是一种增强材料，被广泛用作填充改性PP，可以改善PP的综合力学性能、硬度、耐热性和收缩率[4-6]。硅灰石是一种新兴工业矿物材料，呈一种链状偏硅酸盐矿物，通常呈针状、放射状或纤维状集合体，由于其长径比达(15～20)∶1，补强性能、热稳定性和尺寸稳定性能优异，也可改善PP的物理、力学性能，在美国公布了硅灰石的无毒性后，硅灰石填充改性PP的研究越来越得到关注[7-10]，为了探讨滑石粉和硅灰石粉间的差异及其在PP中的应用性能，笔者以滑石粉和硅灰石粉作为研究对象，通过硅灰石粉逐步替代滑石粉，考察了滑石粉和硅灰石粉对PP复合材料的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度、收缩率、热变形温度的影响，为厂家选用产品提供技术支持。

1 实验部分

1.1 主要原材料

PP：1120，台塑工业(宁波)有限公司；

PP：PPK8003，中国石油独山子石化公司；

钙锌复合稳定剂：HL-45，石家庄聚源丰化工有限公司；

硬脂酸：SA1840，杭州油脂化工有限公司；

抗氧剂：B215，巴斯夫(中国)有限公司；

硅灰石：GY-6000，江西广源化工有限责任公司；

滑石粉：HS-768，江西广源化工有限责任公司。

1.2 主要仪器及设备

马尔文激光粒度仪：3000E型，英国马尔文仪器有限公司；

双螺杆挤出机组：SHJ-36型，L/D=50，D=35.5 mm，南京杰恩特机电有限公司；

注塑机：ZX-80型，震雄集团公司；

万能力学性能试验机：UTM型，承德金建检测仪器有限公司；

冲击试验机：ZBC1400-B型，美斯特工业系统(中国)有限公司；

收缩率测定仪：QMS3D-M型，广东万濠精密仪器有限公司；

维卡热变形温度测定仪：CZ-6005D型，扬州昌哲试验机械有限公司；

场发射扫描电子显微镜(FESEM)：SU8010型，日本日立公司。

1.3 样品制备

按表1中所述配方称取原料加入到高速混合机中混料10 min，冷却出料，再将混合好的原料加入到螺杆挤出机加工改性粒料，挤出温度190～220 ℃，粒料采用注塑机注塑成标准样条进行性能测试，注塑温度为170～210 ℃。

表1 实验配方 份

1.4 性能测试

拉伸性能测试：按GB/T1040.1-2018测试，拉伸速率为50 mm/min；

简支梁缺口冲击性能测试：按GB/T1043.1-2008测试，采用2 J的冲锤，跨度40 mm；

弯曲性能测试：按GB/T9341-2008 测试；

收缩率测试：按GB/T15585-1995测试；

耐热性测试：按GB/T1634.1-2004测试；

断裂面形貌：样条经液氮淬断后喷金，采用FESEM观察断面形貌并拍照。

2 结果与讨论

2.1 硅灰石和滑石粉形貌和物性

图1为硅灰石和滑石粉的扫描电镜照片，从图1可以看出硅灰石呈典型的棒状或者针状结构，具有较高的长径比，滑石粉呈典型的片状或者层状结构，具有较大的宽厚比，两者都是平滑的结晶解理面，颗粒分散均匀，未观察到明显的团聚现象。表2详细列出了硅灰石和滑石粉的物理指标，由表2可知，硅灰石GY-6000粒径D50为4.473 μm，D97为12.97 μm，比表面积为10.06 m2/g，滑石粉HS-768粒径D50为4.402 μm，D97为12.63 μm，比表面积为12.37 m2/g，从细度上对比滑石粉HS-768细度要比硅灰石GY-6000细，硅灰石GY-6000吸油值高于滑石粉HS-768。

图1 硅灰石和滑石粉的扫描电镜照片

表2 硅灰石和滑石粉的性能指标

2.2 硅灰石含量对PP复合材料拉伸强度的影响

图2为硅灰石含量对PP复合材料拉伸强度的影响，从图2可以看出，当全部是滑石粉且添加量为20份时，拉伸强度为31.979 MPa，当硅灰石全部替代滑石粉添加量为20份时，拉伸强度为29.022 MPa，随着硅灰石对滑石粉逐步替代，PP复合材料的拉伸强度呈逐渐明显下降趋势，表明硅灰石对PP复合材料的拉伸强度有抑制作用，这是由于硅灰石的针状纤维结构两端比较光滑，与基体树脂相容性差，当受外力拉伸时，硅灰石比较容易从PP树脂中拔出，而滑石粉的大片状结构更容易镶嵌在PP树脂中，与PP树脂结合更为牢固[11-13]。

图2 硅灰石不同份数时PP复合材料拉伸强度

2.3 硅灰石含量对PP复合材料冲击强度的影响

图3为硅灰石含量对PP复合材料冲击强度的影响，从图3可以看出，当全部是滑石粉添加量为20份时，冲击强度为3.746 kJ/m2，当硅灰石替代10份滑石粉时，冲击强度提升到4.302 kJ/m2，随着硅灰石对滑石粉替代量的继续增加，PP复合材料的冲击强度呈下降趋势，当硅灰石全部替代滑石粉添加量为20份时，冲击强度下降到4.045 kJ/m2。这表明纤维针状结构硅灰石对PP复合材料抗冲击效果优于片状结构的滑石粉，其主要原因是滑石粉的莫氏硬度为1，而硅灰石的莫氏硬度可达4.5，硅灰石莫氏硬度要远高于滑石粉，表现的抗冲击性能更强。

图3 硅灰石不同份数时PP复合材料冲击强度

2.4 硅灰石含量对PP复合材料弯曲强度的影响

图4为硅灰石含量对PP复合材料弯曲强度的影响，从图4可以看出，当全部是滑石粉添加量为20份时，弯曲强度为49.462 MPa，当硅灰石全部替代滑石粉添加量为20份时，弯曲强度为58.33 MPa，随着硅灰石对滑石粉逐步替代，PP复合材料的弯曲强度呈逐渐上升趋势，表明硅灰石对PP复合材料的弯曲强度有贡献作用，这是由于硅灰石具有较长的长径比，当受到外力弯曲作用后能把能量快速传递并分散至整个PP复合材料而被吸收，从而对提高PP复合材料的弯曲强度具有较大的贡献作用[14]。

图4 硅灰石不同份数时PP复合材料弯曲强度

2.5 硅灰石含量对PP复合材料收缩率的影响

图5为硅灰石含量对PP复合材料收缩率的影响，从图5可以看出，当全部是滑石粉且添加量为20份时，收缩率为1.54%，当硅灰石全部替代滑石粉添加量为20份时，收缩率为1.32%，随着硅灰石对滑石粉逐步替代，PP复合材料的收缩率呈逐渐下降趋势，这是由于硅灰石的较长长径比与PP分子链结合缠绕加固了PP复合材料的尺寸稳定性，限制了PP分子链的运动，从而降低了PP复合材料收缩率[15]。

图5 硅灰石不同份数时PP复合材料收缩率

2.6 硅灰石含量对PP复合材料热变形温度的影响

图6为硅灰石含量对PP复合材料热变形温度的影响，从图6可以看出，当全部是滑石粉且添加量为20份时，热变形温度为91.2 ℃，当硅灰石全部替代滑石粉添加量为20份时，热变形温度为111.7 ℃，随着硅灰石对滑石粉逐步替代，PP复合材料热变形温度呈逐渐上升趋势，表明硅灰石的加入能提升PP复合材料热变形温度，这是由于具有高长径比的硅灰石对PP结晶具有一定异相成核作用，能提高PP结晶温度，从而提升PP复合材料热变形温度[16-17]。

图6 硅灰石不同份数时PP复合材料热变形温度

2.7 PP复合材料冲击断面的SEM分析

图7为滑石粉/硅灰石填充PP复合材料冲击断面形貌的SEM照片，从图7可以看出，滑石粉颗粒呈片状结构分散在PP复合材料中，硅灰石颗粒呈棒状结构分散在PP复合材料中，两者的分散状态均比较均匀，颗粒与PP复合材料之间形成了牢固的界面。随着硅灰石替代滑石粉添加量逐渐增加，镶嵌在PP复合材料中片状结构颗粒逐渐减少，镶嵌在PP复合材料中棒状结构颗粒逐渐增多。

图7 滑石粉/硅灰石填充PP复合材料冲击断面形貌的SEM照片

3 结论

(1)对于滑石粉和硅灰石两种无机填料而言，随着体系中硅灰石粉添加量的逐渐增大，PP复合材料的拉伸强度和收缩率均表现出下降趋势；滑石粉HS-768在提高PP复合材料的拉伸强度方面表现出最佳优势，而硅灰石CC-6000在降低PP复合材料的收缩率方面表现较佳。

(2)对于滑石粉和硅灰石两种无机填料而言，随着体系中硅灰石粉添加量的逐渐增大，PP复合材料的弯曲强度和热变形温度均表现出上升趋势，PP复合材料的冲击强度表现出先上升后下降趋势；硅灰石CC-6000在提高PP复合材料的弯曲强度和热变形温度方面最具优势，而硅灰石CC-6000与滑石粉HS-768两者添加量为1∶1时PP复合材料的冲击强度表现最佳。