滑石粉的表面改性及其对填充PP性能的影响

滑石粉的表面改性及其对填充PP性能的影响

项素云田春香孙彩霞

（大连理工大学，辽宁大连116012）

摘要：滑石粉的表面改性处理，对提高与改善填充塑料的性能至关重要。本文报道采用钛酸酯、铝酸酯、硼酸酯等偶联剂，对滑石粉等填料进行表面改性处理的研究结果，通过接触角、活化率、吸油量等实验方法对改性效果进行了研究，其结果有助于筛选偶联剂。通过红外光谱、DSC扫描、电镜等手段研究滑石粉等填充PP的结晶性能、结晶行为、微观结构，说明滑石粉在填充PP中的改性机理与对性能的改善。

1 偶联剂作用机理

滑石粉的表面有亲水性基团，并呈极性，而多数塑料有疏水性，两者之间的相容性差；同时，越细的滑石粉，加工过程中越易于团聚而最终影响填充塑料的性能。因此，为了改善两者之间的界面结合，必须采用适当的方法对滑石粉进行表面改性，也称为表面活化处理。

应用偶联剂处理填料的改性方法是应用最广、发展最快的一种技术。偶联剂的分子中通常含有几类性质和作用不同的基团，其功能是改善填料与聚合物之间的相容性，从而增强填充复合体系中组分界面之间的相互作用[1]。作用机理最早且比较完善的一种理论是化学键理论，该理论认为偶联剂分子中的一部分基团与无机填料表面的化学基团反应，形成强固的化学键合，而另一部分基团有亲有机物的性质，可与有机高分子反应或形成物理缠结，从而在无机相和有机相之间起了连接的桥梁作用，把两种不同性质的材料牢固的结合起来[2]。

目前偶联剂品种很多，如硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类、铝钛复合类、硼酸酯类、稀土类及硬脂酸盐等。偶联剂的选择应综合考虑填料表面结构、性质，偶联剂酸碱性、中心原子的电负性、几何结构和空间位阻等因素[3]。

偶联剂的用量一般都有最佳用量，低于此值，填料活化处理不彻底；而高于此值，填料表面会形成多层物理吸附的界面薄弱层，从而造成制品强度下降。所谓最佳用量，按经典理论即是处理剂在填料颗料表面上覆盖单分子层的用量[4]。

本文主要研究钛酸酯、铝酸酯、硼酸酯等偶联剂对滑石粉等填料表面改性，通过几种方法评价活化效果，确定最佳偶联剂类型及其用量；并对滑石粉填充聚丙烯的性能与结构进行了研究。

2 实验部分

2.1 实验原料

填料：滑石粉，辽宁艾海滑石有限公司提供三种规格：1000目-8512、1250目-AHM －100、2200目-AH－10（T－1、T－2、T－3）；2500目碳酸钙（Ca－1），大连；2500目、1250目水镁石（B－1、B－2），丹东、大连。偶联剂：钛酸酯类（Ti）、铝酸酯类（Al）、硼酸酯类（P1、P2）；树脂：PP；其它助剂：稳定剂、白油、蒸馏水等。

2.2 活化与填充实验

2.2.1滑石粉的活化

填料在100~120℃下烘2小时，按配比与偶联剂预混，然后在高混机中一定温度下，搅拌15-30min，制得一系列活化粉体，待检测与应用。

2.2.2滑石粉填充PP

分别用活化前后的填料与PP树脂，制备填充改性PP料；注塑试样检测性能。

2.3 改性效果评价

活化填料改性效果评价有多种方法，本研究工作采用以下方法进行研究。

2.3.1.接触角法

将活化前后的填料制成直径1cm表面光滑的圆形薄片。用JY－82型接触角测定仪，以蒸馏水作介质、测定填料表面的接触角。

2.3.2活化率

取试管称入1~2g活化粉体,注入蒸馏水充分震荡；静置4小时，除去上层漂浮粉体和水层；放入干燥箱内烘干至衡重；计算各个活化粉体的活化率。

2.3.3吸油量

参考JIS－K5101标准，测定100g粉体吸收DOP的量，ml/100g。

2.4 性能与结构形态的检测

2.4.1结晶性能：

流、降温速度为10℃/min，熔体从以DSC法研究填充PP复合体系结晶行为。N

2

205℃至室温，测定结晶各项参数，计算并作图。

2.4.2 性能检测方法：

按照ASTM D1238测试MI；按照GB-1043-79测试复合材料冲击性能；按照GB-1040-79测试复合材料拉伸性能。

2.4.3电子显微镜：

用TEM法检测滑石粉/PP结晶形态。

3 结果与讨论

3.1 偶联剂对滑石粉接触角的影响

由图可见，经偶联剂活化处理后，滑石粉与极性溶剂水的接触角都是呈增大趋势，这表明填料表面已经由亲水性转化为疏水性。对于不同规格的滑石粉，如T－1、T－2随着偶联剂用量的增大，表面的疏水性也增大，偶联剂达到一定量接触角逐渐趋于平稳；经P2活化处理的T－3也显示了类似的变化趋势；T－3，采用其它偶联剂活化处理，接触角呈现了先增大后减小的变化。偶联剂用量相同而种类不同时，疏水性增大程度也不同：对T－1、T－2，钛酸酯偶联剂处理效果较好；对于T－3，1号硼酸酯偶联剂处理效果较好。

3.2 偶联剂对滑石粉活化率的影响

由图可以看出，活化率并不是随着偶联剂用量增加而持续增大的。对于T－1，在两种偶联剂的用量为1.6wt%时，活化率较高且稳定；对于T－2，钛酸酯处理后的活化率明显高于其它两种方法，其次是铝酸酯偶联剂，用量为1.6wt%最佳；对于T－3，1号硼酸酯处理对应的最佳用量为1.2～1.6wt%，2号硼酸酯偶联剂在0.4wt%用量时，活化率最高，中间出现低值区，对应最低点偶联剂用量为

1.2wt%。

3.3 偶联剂对滑石粉吸油量的影响

由图可见，钛酸酯偶联剂改性处理后吸油量明显减小，对于T－1、T－2改性效果较好；对于T－3，1号硼酸酯偶联剂的处理效果较好。相对于同种偶联剂相同

用量，不同填料的吸油量也有很大的差别，吸油量大小排列顺序为：水镁石＜碳酸钙＜滑石粉。

经过活化处理后填料的吸油量基本上是呈减小的趋势。众所周知，粉体的吸油量与其颗粒间的空隙、比表面及其表面性能有关。吸油量减小是因为处理后填料的粒度细化，粒度分布更加集中在小粒径区域，分散度提高，颗粒间空隙间小，从而降低了对DOP的吸附和固定。DOP作为增塑剂添加到聚合物中，能够改善成型加工性，赋予制品柔韧性；而填料对其吸收量的降低，可在保证填充量的条件下，节省DOP用量，从而降低制品成本。

综合上述研究结果、考虑各评定因素，确定出本研究体系中，对应不同填料筛选最佳偶联剂类型及其用量，结果见表1。

表1. 偶联剂种类及用量筛选结果

4 滑石粉对填充改性聚丙烯性能与结构形态的影响

4.1 滑石粉等活化处理对填充改性聚丙烯力学性能的改善[5]

表2. 偶联剂处理不同填充复合体系性能对照表