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汽車用高性能PP填充復合材料界面優化技術淺析—煒林納改性塑料

返回列表 瀏覽:- 發布日期:2017-10-10 17:51:00【 作者:煒林納改性塑料

PP作為五大通用塑料之一,由于其具有超高的“性價比”,被廣泛的應用于家電、汽車、包裝領域。其中,在汽車領域更有代替ABS等其他工程塑料的趨勢,如汽車保險杠、儀表臺、車門內護板等。并且,隨著新能源汽車的發展,汽車輕量化、“以塑代鋼”的發展趨勢已成為必然。這對高性能的PP填充復合材料要求更高。

如何獲得高性能PP填充復合材料,界面優化才是關鍵!那么,接下來,煒林納改性塑料就給大家談談在PP填充改性的時候,復合材料的界面如何優化?填料的表面處理劑如何選擇?

一、PP填充改性

PP填充改性:是指以PP樹脂為基體,添加一定比例的有機或無機的填料,并輔以助劑,通過混煉、擠出和造粒制得改性PP粒子的過程。其中無機填料有CaCO3、滑石粉、BaSO4等,有機填料有木粉、竹粉、秸稈等。

無機填料可改善PP的耐熱性、剛性、表面硬度和制品的尺寸穩定性。此外,納米級填料還可以改善PP樹脂的低溫韌性。如滑石粉改性PP的汽車保險杠,BaSO4填充改性PP的高光家電外殼等。

有機填料耐熱性較差,但是可以提高PP制品的尺寸穩定性、大幅降低制品的生產成本。目前大多是生物質復合材料,如木塑等產品。

二、PP填充改性技術瓶頸

由于這些填料表面具有大量的極性基團,特別是有機填料,與非極性PP基體相容性較差。雖然,制品的成本得以降低,但是使用性能較差。很難滿足高性能材料的使用要求。目前,PP填充改性的技術瓶頸:

1、填料和基體樹脂的極性相差較大,復合體系中兩相的相容性較差,“界面厚度”不夠,導致復合材料的力學性能降低,特別是拉伸性能。

2、隨著無機剛性粒子增韌PP的研究,更多納米級粒子被應用到PP增韌改性中,如汽車用保險杠(PP+EPDM+20%滑石粉)。這樣,具有高表面能的納米粒子在樹脂基體中,如果分散不好,就會團聚,喪失納米效應,影響復合材料的使用性能。

目前,解決上述問題的辦法,就是通過對填料進行表面處理,改善粒子的表面極性,制得具有“核-殼結構”的功能性填料。

一方面可改善填料與樹脂之間的相容性,增大復合體系中兩相的“界面厚度”。另一方面,減弱粒子之間的作用,防止團聚,使得填料可以均勻的分散在樹脂集體中,形成“海-島”結構。

圖片3 

-島結構復合體系示意圖(來源網絡)

目前,常用的表面處理劑有三類:表面改性劑、偶聯劑相容劑。所以,要想制得高性能的PP填充復合材料,聚合物—填料之間的界面狀態較為關鍵。

三、高性能PP填充復合材料的界面優化

分別以硬脂酸、氨基硅烷偶聯劑和PP-g-MAH(PP接枝馬來酸酐)為例,分析這三種表面處理劑對滑石粉填充改性PP復合體系性能的影響。

體系的流變性分析復合材料中兩相間的界面狀態

界面改性對于填充聚合物復合體系流變行為的影響常常是雙重的。填料的表面處理能夠減少顆粒與顆料間的相互作用,因而填料粒子在基體中的分散能夠得到改善并引起復合體系熔體粘度的下降。然而,當表面處理能夠增強聚合物填料之間的相互作用時,又會促進熔體粘度的提高。

1)硬脂酸一類的表面改性劑包覆時,表面活性劑的極性基團被吸附在填料表面上,同時其脂肪鏈一端向外,沿著垂直于填料顆粒表面的方向排列,形成一個薄的包覆層。這種包覆層可以調整填料表面的物理化學環境,減少填料粒子的聚集,促進其分散。然而,由于這類表面活性劑的脂肪鏈不能與基體反應,其長度也不足以與PP分子產生有效的纏結,因此這樣的包覆層通常導致較弱的基體—填料粒子界面粘結。在剪切流動條件下,這種包覆層具有潤滑效果,使聚合物分子鏈的滑動阻力小于填料粒子未經處理的情況。因此,具有最低的熔體粘度是硬脂酸包覆層的存在所帶來的粒子間相互作用減弱和基體與粒子間潤滑效應的結果。

圖片2

硬脂酸結構式

2)PP-g-MAH它的酸酐基團可與滑石粉表面極性基團發生強烈的相互作用,而其主鏈則可與基體大分子相互纏結。因此,填料顆粒在體系中起到物理交聯點的作用。PP大分子的運動受到到這些填料顆粒的阻礙,從而導致熔體粘度的提高。

圖片1 

PP-g-MAH

3)氨丙基三甲氧基硅烷中的硅烷基可與加工過程中PP主鏈上形成的羰基反應,從而在基體主鏈和填料粒子之間形成化學連接。由于PP主鏈上形成的羰基不可能很多,而硅烷本身的分子鏈又很短,不能與PP大分子相互纏結。

三者處理填料后,復合體系中的界面厚度:PP-g-MAH>硅烷>硬脂酸。

 

煒林納改性塑料認為,在PP的的填充改性中,選擇不同的表面處理劑,原理是一樣的,但是對復合體系界面的狀態確有很大區別。

1、普通的表面改性劑,雖然可以改善填料的表面極性,提高分散性和流動性,但是兩相之間的連接性較差,材料的力學性能較差,特別是拉伸強度較低;

2、硅烷類偶聯劑,一方面可以與填料表面形成化學鍵,另一方面可以與基體形成一定強度的化學吸引,但是由于分子結構較短,無法與基體大分子鏈纏繞,兩相界面鏈接性較強,材料的力學性能較好。

3、對于極性基團接枝類的聚合物,由于極限基團可與無機填料形成化學鍵連接,并且大分子鏈與基體之間具有優異的相容性,可進行分子鏈纏繞,所以綜合力學性能較高。但是體系的流動性較差。

煒林納改性塑料最后想說的是,在設計改性配方時,不可一味追求性能。在性能滿足使用的情況下,成本才是關鍵。

 

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