超微細碳酸鎂、硅灰石粉體功能化改性技術及其在聚丙烯中的應

聚丙烯(PP)是國內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構材料使用，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。在硅灰石的結晶結構中，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晶構造的基本單元。
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，其表面性質與非極性或弱極性的有機聚合物表面性質差異較大，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)/輕質碳酸鎂復合材料。**發(fā)現(xiàn)，二者復合后，復合體系的結晶度減小，沖擊強度降低，產生了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)。