超微細碳酸鎂、硅灰石粉體功能化改性技術(shù)及其在聚丙烯中的應

聚丙烯(PP)是國內(nèi)外廣泛使用的一種通用塑料，由具有良好的力學性能、耐熱性和加工流動性以及突出的應力開裂性和耐磨性，同時還具有較長的彎曲疲勞壽命，優(yōu)異的成纖性和優(yōu)良的電性能。但是，聚丙烯低溫易脆化，對缺口較敏感，成型收縮率大、易老化而不能作為結(jié)構(gòu)材料使用，使其應用受到一定的限制。因此，通常需要通過共聚、共混、填充、增強等技術(shù)對聚丙烯進行改性以提高其性能。其中，對聚丙烯的填充增強改性是目前有發(fā)展前景，應用廣泛的改性方法。
從填充礦物粉體填料補強聚丙烯的角度考慮，超微細(微納米)三水碳酸鎂、堿式碳酸鎂、無水碳酸鎂等碳酸鎂以及硅灰石粉體具有質(zhì)輕、密度小、熱穩(wěn)定性高、阻燃抑煙、無毒無污染、制備原料來源廣泛、價格低廉等諸多優(yōu)點，是一類重要的新型環(huán)境礦物材料。經(jīng)過實踐證明，這些填料可用作塑料、涂料、建材等高聚合物的補強劑、填充劑和阻燃劑等，能起到增加體積、降低成本的作用，在塑料、橡膠、涂料、醫(yī)藥、食品、分離和冶金等多領(lǐng)域具有廣泛應用價值。
1微/納米水合碳酸鎂
微/納米水合碳酸鎂，其分子式為3MgCO3·Mg(OH)2·3H2O，外觀為白色粉末狀，是一種隨著納米材料的發(fā)展而誕生的一種新型高功能精細無機材料。由于改性后的水合碳酸鎂具有不同于本體材料的熱、光、電、力學和化學性能，被廣泛應用于橡膠、涂料、塑料、造紙、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。
2針狀硅灰石
硅灰石是天然的硅酸鈣(CaSiO3)，通常呈針狀、放射狀、纖維狀集合體，主要成分為SiO2(50.9%)、CaO(46.9%)、FeO(0.55%)、Al2O3(0.25%)等。在硅灰石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，SiO4四面體鏈和CaO八面體柱沿b軸方向相連，CaO八面體柱和SiO骨架連接形成的復合單鏈成為硅灰石結(jié)晶構(gòu)造的基本單元。
由于它具有特殊晶體形態(tài)、高白度、良好的介電性能和較高的耐熱性能等特性，因此硅灰石能夠被廣泛應用于橡膠、陶瓷、塑料、涂料和造紙等領(lǐng)域。
3碳酸鎂與硅灰石改性
碳酸鎂和硅灰石等無機粉體，表面原子較多、表面能高、極性強，其表面性質(zhì)與非極性或弱極性的有機聚合物表面性質(zhì)差異較大，兩者相容性差，因此直接用其作為聚合物的填料時，容易導致復合材料的沖擊強度、延伸率等力學加工性能下降。因此，必須對填料進行表面改性處理，改善其物理性能，增強其與有機基體的相容性，從而拓寬其應用范圍。
關(guān)于無機粉體表面改性的理論主要有以下四種：化學鍵理論、表面浸潤理論、可變形層理論和約束層理論。
(1)化學鍵理論認為：偶聯(lián)劑含有兩種化學官能團，一種可以與填料表面質(zhì)子形成化學鍵，另一種與聚合物分子鍵合，導致較強的界面結(jié)合，提高填充復合材料的力學性能。
(2)表面浸潤理論認為：高分子基體對填料的良好浸潤性對復合材料的性能有重大影響。如果能將填料完全浸潤，那么樹脂對高能表面的物理吸附將提供高于有機樹脂內(nèi)聚強度的粘接強度。
(3)可變形層理論認為：偶聯(lián)劑改性填料表面可能擇優(yōu)成為吸附樹脂中的配合劑，相間區(qū)域的不均衡固化可能導致一個比偶聯(lián)劑在聚合物與填料之間的單分子層厚得多的柔樹脂層，即變形層。它能松弛界面應力，防止界面裂縫的擴展，從而改善界面的結(jié)合強度。
(4)約束層理論認為：在高模量粉體和低模量樹脂之間的界面區(qū)域，若其模量在兩者之間，則可均勻地傳遞應力。
4改性碳酸鎂在聚丙烯(PP)中的應用
(1)聚丙烯(PP)/輕質(zhì)碳酸鎂復合材料增韌
楊柏林等采用熔融共混法制備了聚丙烯(PP)/輕質(zhì)碳酸鎂復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，二者復合后，復合體系的結(jié)晶度減小，沖擊強度降低，產(chǎn)生了β球晶，使得復合體系的韌性增強。
(2)氫氧化鋁和碳酸鎂復配用于聚乙烯阻燃材料
李建新等將氫氧化鋁和碳酸鎂復配添加到線性低密度聚乙烯中，使體系阻燃的溫度范圍變寬，當添加量為50%，氫氧化鋁和碳酸鎂的比例為4:1時，體系的氧指數(shù)為26，優(yōu)于單獨使用氫氧化鋁的情形。此外，堿式碳酸鎂分解溫度為200~550℃，該范圍大于氫氧化鐵和氫氧化鋁的分解溫度范圍。當復合材料燃燒時，堿式碳酸鎂能分解吸熱，釋放出結(jié)晶水和CO2，阻止燃燒的進行。
5改性硅灰石在聚丙烯(PP)中應用
共聚物接枝改性PP/硅灰石復合材料提高機械性能
通過相容劑甲基丙烯酸丁酯和苯乙烯-丙烯酸丁酯-馬來酸酐共聚物接枝改性聚丙烯(PPSBM)來改善PP/硅灰石復合材料的力學性能，PP/硅灰石復合材料的抗拉強度、硬度、延伸率和抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。隨著PP-SBM含量的增加，PP-SBM與改性硅灰石發(fā)生的增容反應可以極大提高硅灰石與柔性界面的相容性，當PP-SBM質(zhì)量分數(shù)為30%時，PP/硅灰石復合材料的力學性能、拉伸性能和抗沖擊性能均優(yōu)。