無(wú)機(jī)粉體在塑料改性中的應(yīng)用

1、一背景簡(jiǎn)介二無(wú)機(jī)粉體填充改性機(jī)理三界面特性的影響因素四無(wú)機(jī)粉體材料的表面處理方法隨著聚合物復(fù)合材料研究的深入發(fā)展和應(yīng)用要求的不斷提高，作為復(fù)合材料組分之一的無(wú)機(jī)粉體填料日益受到人們的重視。無(wú)機(jī)粉體作為聚合物復(fù)合材料改性的一種重要手段，其意義已經(jīng)不單純是降低材料的成本，更重要的是可以顯著改善聚合物材料的各種性能，包括力學(xué)性能和熱性能等，并且作為增強(qiáng)劑提高聚合物材料的強(qiáng)度、剛性、表面硬度、熱變型溫度等物理機(jī)械性能，賦予聚合物材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐光、耐輻射、高剛性和高表面硬度等新的功能。由于無(wú)機(jī)粉體填料與聚合物的相容性比較差，如果直接添加，會(huì)導(dǎo)致無(wú)機(jī)粉體在聚合物中不能均勻分散，造成材料的力學(xué)性能下降。

2、從微觀上來(lái)看，只有當(dāng)聚合物基體與無(wú)機(jī)粉體填料具有良好的親和性，才能夠使聚合物材料性能達(dá)到最佳狀態(tài)。對(duì)無(wú)機(jī)粉體填料進(jìn)行表面改性，可以改變無(wú)機(jī)粉體原來(lái)的表面性質(zhì)，如親油性、吸油率、浸潤(rùn)性等，調(diào)整無(wú)機(jī)粉體與聚合物間的親和性和相容性等,從而提高無(wú)機(jī)粉體與聚合物相界面的結(jié)合力。近年來(lái)，無(wú)機(jī)粉體的表面改性技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為當(dāng)前很活躍的研究領(lǐng)域。研究認(rèn)為決定復(fù)合材料性能的主要因素是界面特性(粘結(jié)強(qiáng)度,物理、化學(xué)效應(yīng),厚度)及兩相相互作用等。有關(guān)復(fù)合材料各種界面效應(yīng)的理論如下：表面形態(tài)理論表面官能團(tuán)理論表面能理論表面形態(tài)理論主要從無(wú)機(jī)粉體表面的物理狀態(tài)去考察界面特性。該理論認(rèn)為無(wú)機(jī)粉體表面的幾何不

3、均勻性對(duì)復(fù)合材料的粘結(jié)強(qiáng)度起主要作用。不同種類(lèi)的無(wú)機(jī)粉體具有不同的幾何形狀,如片狀、球狀、近似球狀等;無(wú)機(jī)粉體的形態(tài)、表面粗糙度、表面積大小、表面晶態(tài)的狀況都影響著界面特性。通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)粉體的超細(xì)微化,將會(huì)增大無(wú)機(jī)粉體的表面積,有效地提高表面粘結(jié)強(qiáng)度,從而起到增強(qiáng)增韌的效果。表面官能團(tuán)理論主要從研究界面化學(xué)作用起步,考察復(fù)合材料的表面特性。一般地講,如果無(wú)機(jī)粉體與高分子界面之間能夠形成一種較強(qiáng)的化學(xué)鍵作用時(shí),界面的粘結(jié)強(qiáng)度就很高,并隨著這種化學(xué)鍵密度的增加而持續(xù)增加。因而通過(guò)改善聚合物分子鏈段的層界面的韌性、無(wú)機(jī)粉體的界面化學(xué)特性,不僅可以改善聚合物與填料的相容性,降低兩相界面張力,促進(jìn)良好的潤(rùn)

4、濕與包覆作用,還可以使復(fù)合材料建立起一個(gè)良好的界面層穩(wěn)定體系。表面能理論主要從物理化學(xué)的熱力學(xué)角度去考察聚合物與無(wú)機(jī)粉體之間的界面粘結(jié)機(jī)理。通過(guò)考察不同種類(lèi)的無(wú)機(jī)粉體的表面物理化學(xué)特性,研究通過(guò)高分子鏈段的擴(kuò)散或嵌入的方式建立“錨固”的界面層,以確定基體樹(shù)脂與無(wú)機(jī)粉體之間的共復(fù)合性。界面特性的影響因素界面應(yīng)力高分子樹(shù)脂的極性無(wú)機(jī)粉體與高分子樹(shù)脂間的相容性無(wú)機(jī)粉體粒徑高分子鏈段與無(wú)機(jī)粉體粒子的熱膨脹(或收縮)系數(shù)差、模量差等因素可能導(dǎo)致界面應(yīng)力。復(fù)合材料在受到外力如拉伸、彎曲、沖擊等各種應(yīng)力作用下,通過(guò)相界面進(jìn)行傳遞,而相界面實(shí)際的強(qiáng)度應(yīng)力很可能是材料受損壞的臨界值。因此,通過(guò)提高相界面應(yīng)力值,

5、就可以大大改善復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。無(wú)機(jī)粉體粒子表面具有較大的界面力,與高分子鏈段之間的結(jié)合是一種物理作用。當(dāng)高分子鏈段具有一定的極性時(shí),高分子鏈段對(duì)無(wú)機(jī)粉體的吸附力較大。反之,當(dāng)高分子鏈段無(wú)極性或極性很弱時(shí),則高分子鏈段與無(wú)機(jī)粉體之間的界面鍵合力很弱。從實(shí)驗(yàn)中可以獲得同樣的結(jié)論,當(dāng)在非極性材料中加入無(wú)機(jī)粉體時(shí),高分子樹(shù)脂的性能快速降低,通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察也會(huì)發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的兩相分離結(jié)構(gòu)。熱力學(xué)相容必須具備如下條件:具有較強(qiáng)的鍵合作用,具有極性官能團(tuán),具有可反應(yīng)的官能團(tuán)。而無(wú)機(jī)粉體與高分子鏈段之間只有在特定條件下才具有相容性,且相容性很小。提高無(wú)機(jī)粉體與高分子鏈段之間的相容性,可顯著增強(qiáng)復(fù)合材

6、料的性能。常用的提高兩者相容性的方法是對(duì)無(wú)機(jī)粉體進(jìn)行表面處理,包括小分子界面活性法、成膜法、偶聯(lián)劑法、大分子界面活性法、包覆法等。實(shí)踐證明,經(jīng)過(guò)表面處理的無(wú)機(jī)粉體粒子與高分子鏈段的相容性增強(qiáng),各表面處理法按效果遞增排序?yàn)?小分子界面活性法成膜法偶聯(lián)劑處理法大分子界面活性處理法包覆法。一般情況下,隨著無(wú)機(jī)粉體添加量的增加,復(fù)合材料的各項(xiàng)性能均先提高,而當(dāng)無(wú)機(jī)粉體添加量達(dá)到一定量時(shí),復(fù)合材料部分性能開(kāi)始出現(xiàn)降低,無(wú)機(jī)粉體的這一添加量即為改性臨界添加量。不同的樹(shù)脂基體,使用不同的無(wú)機(jī)粉體(改性方式的不同),其臨界添加量就不同。隨著加工工藝的改進(jìn),無(wú)機(jī)粉體粒徑進(jìn)一步降低,使得臨界添加量增加。楊毅等發(fā)現(xiàn)

7、當(dāng)無(wú)機(jī)粉體粒徑降至納米級(jí)時(shí),對(duì)于不同的高分子樹(shù)脂,無(wú)機(jī)納米級(jí)粉體的改性效果具有同樣的臨界值。無(wú)機(jī)粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料性能的影響,可以用微觀相界面相關(guān)理論進(jìn)行解釋:無(wú)機(jī)粉體與高分子基體間形成了一種兩相界面,但這種界面中仍然存在大量的、尺寸各異的空隙和缺陷。在熔融共混中無(wú)機(jī)粉體與高分子基體承受外力,無(wú)機(jī)粉體填充微觀相界面中的空隙和缺陷,無(wú)機(jī)粉體粒徑尺寸越小,就可以填充越多的空隙和缺陷。在宏觀上就表現(xiàn)為它可以大大改善復(fù)合材料的抗沖擊性能。無(wú)機(jī)粉體材料的表面處理方法表面改性無(wú)機(jī)包覆粉體的表面改性是采用物理、化學(xué)、機(jī)械等方法對(duì)粉體表面進(jìn)行處理,有目的地改變顆粒表面的物理化學(xué)特性(如表面晶體結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)、表面能、潤(rùn)濕性、電性、吸附和反應(yīng)特性等),以適應(yīng)不同要求,提高材料的附加值。按改性原理的不同，無(wú)機(jī)粉體表