塑料加工中偶聯(lián)劑改性粉體填料的應用介紹
(劉濤 上海匯精亞納米新材料有限公司/鳳陽(yáng)匯精納米新材料科技有限公司)
偶聯(lián)劑對填料的改性,在我國塑料工業(yè)中已經(jīng)歷快30年,在取得改性效果的同時(shí),也出現一些改性未取得理想效果的反映,經(jīng)調查分析,塑料改性效果的取得,必須與塑料加工中各個(gè)技術(shù)環(huán)節要有良好的協(xié)調配合。
一、 非金屬礦(粉體材料)在塑料工業(yè)中的作用在塑料加工中,加入適當的粉體填料,可達到增量降低成本的作用,還能改善或提高塑料制品的物理力學(xué)性能、耐磨性能、熱學(xué)性能、耐老化性能,還能克服塑料不耐低溫、低剛硬性、易膨脹性、易蠕變性等缺點(diǎn)。所以,填料既有增量作用,又有改性效果;有些填料具有活性,還能起到補強作用。增量劑可使塑料制品的密度、彈性模量、壓縮強度、撓曲強度得到改善,收縮率變小,尺寸穩定性好,減弱了材料的力學(xué)性能和溫度的依賴(lài)關(guān)系,降低制品成本;增強劑的作用在于使制品的抗張強度、斷裂伸長(cháng)率、壓縮強度、剪切強度、彈性模量、熱變形溫度提高,縮小制品收縮率,改進(jìn)其蠕變性,提高彎曲、蠕變模量,降低負荷的粘彈屈服,提高拉伸強度。近年來(lái),塑料工業(yè)發(fā)展,填充劑也向功能型要求發(fā)展,并向超細、超微細發(fā)展,對填料的界面未經(jīng)改性已不適應塑料工業(yè)發(fā)展的要求,用偶聯(lián)劑對填料界面改性,已形成廣泛的共識。如碳酸鈣、滑石粉、云母粉、煅燒高嶺土、二氧化硅、二氧化鈦、空心微珠、硅藻土、玻璃微珠、晶須、硫酸鋇(鈣)、石英粉、透閃石、氧化鋁、硅灰石、炭黑、硅鋁炭黑、水鎂石等,用于塑料加工已產(chǎn)生積極的效應。非金屬礦填料已成為塑料工業(yè)不可缺少的原料,隨著(zhù)改性技術(shù)的進(jìn)步,在塑料中使用的非金屬礦填料的種類(lèi)、數量都將迅速擴大,并據其價(jià)格低廉、性能獨特、改性效果顯著(zhù)的優(yōu)勢,在塑料工業(yè)中有著(zhù)重要的作用。
二、 偶聯(lián)劑改性填料在塑料工業(yè)中的應用為了使復合材料達到預期的性能,需對填料表面進(jìn)行改性,以增強它與基本樹(shù)脂的相容性和結合力。用偶聯(lián)劑對填充劑界面改性的作用是:①提高塑料制品質(zhì)量檔次;②提高塑料制品附加值;③促進(jìn)塑料新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、新技術(shù)的應用。七十年代末我國消化吸收國外技術(shù),研究生產(chǎn)硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑,八十年代初形成小規模生產(chǎn),對我國塑料工業(yè)發(fā)展起了積極作用。隨后,國內又自行研制開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了鋁酸酯偶聯(lián)劑、稀土偶聯(lián)劑等。目前國內偶聯(lián)劑的類(lèi)型、品種很多,應用時(shí)應對其質(zhì)量、性能多加研究。偶聯(lián)劑對填料改性,既有物理變化、又有化學(xué)反應,更與塑料加工中其它工藝技術(shù)環(huán)節相聯(lián)系,否則改性效果再好,不一定能在最終制品上反應出改性效果。
2.1改性填料與其它工藝技術(shù)環(huán)節的結合塑料加工是多種技術(shù)條件的綜合,塑料加工的設計者、操作者應善于將加工中各種技術(shù)條件協(xié)調、合理地組合(理論與實(shí)際相結合),并注意使各個(gè)技術(shù)環(huán)節在加工中相輔相成,而不是相克相銷(xiāo);加工中出現的異?，F象或制品質(zhì)量性能未達到要求,應實(shí)事求是地分析,這與原輔材料的質(zhì)量、規格,配方設計,配混料操作,設備、模具、定型裝置以及各種工藝技術(shù)參數、工藝條件的設定有關(guān),它們都能影響改性填料的應用效果。因此,塑料改性工作者在提高填料改性質(zhì)量的同時(shí),也應熟悉掌握塑料加工全過(guò)程的工藝技術(shù)要求,及時(shí)排除影響填料改性效果的各種因素,這樣才能使制品達到良好的質(zhì)量性能。
2.2不同樹(shù)脂、不同填料、不同用途應選擇不同類(lèi)型的偶聯(lián)劑填充劑多數是無(wú)機物,必須考慮到它與基體樹(shù)脂的相容性。有機聚合物分子結構及物理形態(tài)和無(wú)機物(粉體填料)不相同,兩種結構不相同的材料不可能結合在一起,選用具有兩性基團的偶聯(lián)劑,通過(guò)化學(xué)鏈或纏繞將填料與樹(shù)脂緊密牢固地結合起來(lái)。
填料表面形狀十分復雜,在粉碎加工過(guò)程中,其表面物理結構發(fā)生變化,如局部發(fā)生龜裂層,遭破壞后呈粗糙面,表面凹凸點(diǎn)增多,導致表面化學(xué)結構與內部化學(xué)結構不同;尤其表面官能團的存在,能和空氣中的水或氧發(fā)生反應,沿表面層方向及垂直于表面層的斷面都有ＯＨ存在;ＳｉＯ2表面通常被硅醇ＳｉＯＨ所包覆,此外還有ＳｉＯＳｉ硅醚基的包覆;表面吸附水的影響很大;Ａｌ2Ｏ3填料表面存在多種形式的ＯＨ基,其表面結構比ＳｉＯ2更復雜;ＴｉＯ2表面也有ＯＨ存在等。無(wú)機填料表面結構與聚合物分子結構相關(guān)懸殊,導致復合體系的界面難以形成良好的粘接,因此,對無(wú)機填料進(jìn)行表面改性處理,是改善和提高復合塑料性能的重要途徑。目前國內外塑料改性常用的偶聯(lián)劑,見(jiàn)表1。ＰＰ/ＣａＣＯ3體系用偶聯(lián)劑改性填料與不改性填料力學(xué)性能對比,見(jiàn)表2。
2號樣沖擊強度和斷裂伸長(cháng)率隨ＣａＣＯ3含量增加而迅速下降,這是填料疏有機物,它與樹(shù)脂結合力很差,粉體填料的加入等于在體系中埋入應力集中物,在外力作用下易開(kāi)裂,所以沖擊強度由71.3ｋｇ·ｃｍ/ｃｍ2下降到21.3ｋｇ·ｃｍ/ｃｍ2、斷裂伸長(cháng)率由616%下降到13%。當用鈦酸酯偶聯(lián)劑改性填料后,由于填料中有化學(xué)結合水,鈦酸酯偶聯(lián)劑單烷氧基與填料碳酸鈣表面的羥基作用形成化學(xué)鍵,因而在填料表面復蓋著(zhù)一層偶聯(lián)劑單分子膜,容易分散在樹(shù)脂中,偶聯(lián)效益提高;而鈦酸酯偶聯(lián)劑另一端三個(gè)長(cháng)鏈結構單元與高聚物相混溶,使填料與ＰＰ結合得很好,填料在外力作用下,長(cháng)鏈分子能很好地伸展收縮,使制品具有很好的彈性和抗沖性能。加了偶聯(lián)劑使3號樣、4號樣比2號樣的熔融粘度、剪切應力小,流動(dòng)性得到改善。隨偶聯(lián)劑含量增大,熔融粘度、剪切應力下降,這是偶聯(lián)劑改變了填料表面能,提高了它在ＰＰ中的分散性,并起到了潤滑作用,使ＰＰ/ＣａＣＯ3體系熔融粘度下降,這樣不但增加了填料量還降低了成本,并改善了復合材料的某些性能,也減少了機械磨損,使復合材料有了良好的成型加工性能。不同的填料,應選用不同的偶聯(lián)劑。硅烷類(lèi)偶聯(lián)劑,對ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、玻璃纖維、硅酸鹽和陶土等有顯著(zhù)效果,對碳酸鈣、石墨、硫酸鈣、炭黑等的效果則很小。如硅烷偶聯(lián)劑處理石英后填充ＰＶＣ塑料,可大幅度提高其沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度等。鈦酸酯偶聯(lián)劑用于ＣａＣＯ3、ＣａＳＯ4、Ｍｇ(ＯＨ)2和Ａｌ(ＯＨ)3等填料的表面處理。例如用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理云母后填充ＰＰ復合體系,可降低熔融粘度,改善熱塑性塑料的加工性能和機械性能。疊氮硅烷偶聯(lián)劑,可與任何碳氫鍵反應,它以有共價(jià)鍵連接的獨特性能,因而具有廣泛的適用性。它對聚酯、聚聚碳酸酯以及聚乙烯、聚丙烯和聚烯烴特別有效,具有熱穩定性良好、工藝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),除用于復合材料外,還適用于塑料、橡膠的改性。
2.3填料的粒度對改性效果的影響填料粒徑越大,比表面積越小,則與樹(shù)脂接觸面積越小,使塑料制品的物化性能越差。粒子的微細化,可使粉體比表面積增大,當填充在樹(shù)脂中時(shí),粉體與樹(shù)脂的總界面作用力相應增大,其補強效果越明顯,應用范圍越擴大。粒徑0.1～1.0μｍ微細ＣａＣＯ3用作橡膠填料,具有半補強作用,0.01～0.1μｍ超微細ＣａＣＯ3則能起到補強作用。目前,國內外都在投入一定的力量,進(jìn)行納米(ｎｍ)級粒子開(kāi)發(fā)應用和研究，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。
2.4偶聯(lián)劑的質(zhì)量、性能直接關(guān)系到改性效果目前,國內偶聯(lián)劑品種很多,有硅烷類(lèi)、鈦酸酯類(lèi)、鋁酸酯類(lèi)、鋁鈦復合類(lèi)、稀土類(lèi)等,形成市場(chǎng)競爭。對偶聯(lián)劑的評價(jià),現選用某研究單位以四種不同的偶聯(lián)劑對水鎂石改性的效果作比較,結果如下。經(jīng)1%偶聯(lián)劑改性后樣品粒度(μｍ)的變化:未改性,19.9;偶聯(lián)劑①改性樣,18.5;偶聯(lián)劑②改性樣,11.1;偶聯(lián)劑③改性樣,19.1;偶聯(lián)劑④改性樣,23.1。偶聯(lián)劑改性325目水鎂石的吸水性比較,見(jiàn)表3。
三、填料的改性方法和要求
3.1鈦酸酯偶聯(lián)劑對填料的改性
1改性設備的選擇:連續性粉體表面改性機、高速混合機等。須選用高混機,轉速>1000ｒ/ｍｉｎ,容積200～500Ｌ,要求投入的粉體材料在高速轉動(dòng)下,粉體在混合室內作旋轉運動(dòng),高速旋轉的料流撞擊到折流板上,改變流動(dòng)方向,進(jìn)而強化了物料混合與分散效果,使聚集狀態(tài)粉體充分分散,偶聯(lián)劑在每個(gè)粉體粒子界面上都包覆一層分子膜。
２粉體材料的含水量:應低于0.5%,否則單烷氧型鈦酸酯偶聯(lián)劑易水解失效。含濕量較高的填料,如粘土、云母、滑石粉等,可選用焦磷酸型鈦酸酯偶聯(lián)劑,它除了與填料表面羥基反應形成偶聯(lián)外,焦磷酸酯基也可分解形成磷酸酯結合一部分水。對高濕填料的含水聚合物體系,如濕法ＳｉＯ2、陶土、滑石粉、硅酸鋁、水處理玻璃纖維、炭黑以及酞菁、鐵紅在水性溶液中的分散防沉,可選用具有極好水解穩定性的鰲合型鈦酸酯偶聯(lián)劑。
3藥劑選擇:四價(jià)鈦酸酯偶聯(lián)劑會(huì )不同程度地與酯類(lèi)增塑劑和其它酯類(lèi)化合物發(fā)生酯交換反應,遇有這種狀況,可選用配位型鈦酸酯偶聯(lián)劑。一般表面活性劑會(huì )影響或對抗鈦酸酯偶聯(lián)劑與無(wú)機填料的偶聯(lián)作用,如氧化鋅、硬酯酸等,這些材料必須在填料、偶聯(lián)劑、聚合物充分混合后再加入,以免影響偶聯(lián)效果。
4預處理法(無(wú)機粉體直接處理法):將無(wú)機填料、顏料先行偶聯(lián)劑改性處理,再和聚合物及其它助劑加工混合,其優(yōu)點(diǎn)是適用于聚合物組份較復雜的工程塑料共混改性或塑料合金體系,以及某些加工溫度較高的工程塑料,可防止不必要的副反應。
5具體處理方法:有濕、干兩種混合方法。濕混合法,單烷氧基型、配位型偶聯(lián)劑,可用白油、石臘、無(wú)水乙醇等溶劑進(jìn)行稀釋再和填料拌和均勻,然后用加熱或減壓等方法除去溶劑。此法偶聯(lián)得比較完全,但耗費大,經(jīng)濟不合算。鰲合型偶聯(lián)劑耐水性好,可用水稀釋。如果不溶解于水,可借助胺類(lèi)助劑等使它溶解于水,再和塑料、顏料攪拌混合后脫去水份。干混合法,在塑料中使用鈦酸酯偶聯(lián)劑主要采用干法。為使少量鈦酸酯偶聯(lián)劑能均勻包覆在填料、顏料表面,一般加入少量稀釋劑(無(wú)水溶劑與偶聯(lián)劑用量為1∶1)。
6鈦酸酯偶聯(lián)劑用量:決定于填料、顏料的總量和其它無(wú)機輔料的總量,以及據粉體的粒徑細度、比表面積、軟制品、硬制品來(lái)決定,經(jīng)驗用量0.5%～3.0%,最后由效能來(lái)決定最佳用量。7填料改性的操作:將粉體填料投入高速混合機的量是高混機容積的50%～75%,在高速攪拌下(摩擦生熱)溫度達到90～100℃時(shí),排出水氣,然后加入計量配制好的偶聯(lián)劑稀釋溶液,在溫度達到105℃時(shí)停機出料待用(密閉包裝,以防吸濕),全過(guò)程時(shí)間視高混機性能而定。
3.2硅烷偶聯(lián)劑改性時(shí)應用的方法
1玻璃纖維浸潤劑的配制:纖維的加工性質(zhì)包括原絲集束性、剛性、切割性、抗靜電性、被樹(shù)脂的潤濕性及起毛性。最終應用性質(zhì)包括在惡劣使用條件下,機械及電氣性質(zhì)的保留率,玻璃纖維浸潤劑一般含有3～8個(gè)或更多的組份,硅烷偶聯(lián)劑是其中一個(gè)重要組份。
2有機官能團硅烷與其它組份混合后的活化:硅烷的活化,是通過(guò)將其加到水中并攪拌一段時(shí)間來(lái)實(shí)現的。中性硅烷(即不含氨基基團的硅烷)加到ｐＨ值調到3和4.5之間的水中,ｐＨ用醋酸或其它弱有機酸來(lái)調節,硅烷水解所需時(shí)間長(cháng)短取決于其結構、水的溫度、ｐＨ值及硅烷的溶解度,一般需10～60ｍｉｎ。硅烷的加入量為1%～8%。堿性硅烷如氨基硅烷,可直接加到水中,而無(wú)需調節ｐＨ值即能水解,在水解完成后,硅烷可被稀釋或加入其它組份,許多浸潤劑的貯存壽命小于72ｈ。
3無(wú)機物直接處理法:將無(wú)機物先經(jīng)硅烷處理,然后加入到樹(shù)脂中去,根據方式不同,又分為干法和濕法兩種。干法也稱(chēng)為噴霧法,邊攪拌邊將硅烷偶聯(lián)劑水溶液均勻地噴灑到無(wú)機物表面上;濕法又稱(chēng)為浸漬法,是指在無(wú)機物填料制作過(guò)程中,用硅烷偶聯(lián)劑處理液浸漬,或者將硅烷偶聯(lián)劑添加到填料的漿液中。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),干法偶聯(lián)劑利用率高,但不易均勻分布到每一個(gè)無(wú)機填料粒子的表面上;濕法均勻性好,但偶聯(lián)劑浪費大。
4多組份混合法:即將硅烷偶聯(lián)劑直接或通過(guò)混合料加到樹(shù)脂中,其優(yōu)點(diǎn)是硅烷偶聯(lián)劑的用量可根據需要任意改變。目前國際市場(chǎng)出售的玻璃纖維和填充劑都是經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理過(guò)的,但在應用中真正起到偶聯(lián)作用的是少量偶聯(lián)劑所形成的單分子層,不必要過(guò)多地使用偶聯(lián)劑。為使偶聯(lián)劑均勻分布,使用時(shí)一般配制成0.5%～1.0%的稀釋液。硅烷偶聯(lián)劑用量與硅烷偶聯(lián)劑種類(lèi)和填料比表面積有關(guān)。硅烷偶聯(lián)劑用量(ｇ)=[填料用量(ｇ)×填料比表面積(ｍ2/ｇ)]/[硅烷最小包覆面積(ｍ2/ｇ)]。如果填料比表面積不知道,硅烷偶聯(lián)劑的加入量可按填料量(重量)的1%左右計。如硅烷偶聯(lián)劑加入到樹(shù)脂中使用,其加入量可定為樹(shù)脂量的1%左右。硅烷偶聯(lián)劑若配制成非水溶性溶液使用,其添劑可選用甲醇、乙醇、丙醇或苯等有機溶劑。
結語(yǔ)
我國塑料工業(yè)二十一世紀的長(cháng)遠規劃提出:塑料工業(yè)應進(jìn)入產(chǎn)業(yè)轉型和升級階段,將從數量主導型過(guò)渡到以改善自身結構,提高品質(zhì)為主,以質(zhì)量、品種、效益、出口為主導型的產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化,達到產(chǎn)業(yè)升級的目標,采取市場(chǎng)化、國際化的發(fā)展戰略。為更好地服務(wù)于塑料行業(yè),非金屬粉體材料深層次發(fā)展刻不容緩。粉體材料行業(yè)要做到:與國際市場(chǎng)接軌,技術(shù)上達到一流水平;加強基礎理論和應用基礎理論的研究,技術(shù)上的突破,將對非金屬礦的應用帶來(lái)新的機遇和巨大的市場(chǎng);礦物粉末產(chǎn)品標準化和完善檢測方法;從等市場(chǎng)、找市場(chǎng)到創(chuàng )市場(chǎng)。粉體材料的深加工,應圍繞塑料工業(yè)發(fā)展方向,塑料制品從普通型向質(zhì)量型、技術(shù)型、高附加值型以及功能型過(guò)渡,制訂企業(yè)的轉型發(fā)展目標,抓住塑料改性這一有力的手段,與深加工、中間產(chǎn)品、終端產(chǎn)品的生產(chǎn)緊密結合起來(lái),這將加快企業(yè)的發(fā)展。粉體改性離不開(kāi)偶聯(lián)劑,偶聯(lián)劑的應用離不開(kāi)粉體材料,填料改性效果的取得,是偶聯(lián)劑和粉體材料良好協(xié)作配合結果。應加強合作,為我國塑料工業(yè)的發(fā)展共同作出貢獻。
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