碳酸钙为什么可以让塑料如此“韧性”?这是最好的答案!


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  碳酸钙在塑料增韧中的作用和改性工艺

中国粉体网讯 目前,塑料制品应用于我们生活的方方面面,如建材、交通运输、汽车制造等等。但在塑料制品使用的过程中,制品的韧性和强度往往并不能很好地结合起来。可以说,塑料增韧增强是高分子材料应用要解决的重要问题。

 

从材料学角度分析,塑料应用中的高比强度、高比模量、高韧性、耐磨损等均与塑料韧性和强度有关。塑料强度和韧性是结构材料中两个特别重要但又相互矛盾的力学性能。


 

纳米CaCO3共混增韧塑料

 

1碳酸钙增韧塑料的优势

 

碳酸钙是塑料行业中应用较多,较为常见的一种无机填料,其原料丰富,工艺成熟,价格实惠,广泛应用于五大塑料制品中。以超细或纳米碳酸钙材料而论,本身具有极高的表面积,在高分子聚合物中可以显著提高材料的抗冲击性能(韧性),对拉伸强度、断裂伸长也具有提升作用。在与聚合物复合时,纳米颗粒的表面效应、小尺寸效应、量子效应以及协同效应,将使复合材料的综合性能有极大的提高。

 

2碳酸钙填充改性塑料的方法

 

2.1溶胶凝胶法

 

该法是在高化学活性的硅氧烷金属化合物等前驱体体系中进行,前驱体发生水解反应和缩合反应形成稳定且均匀的透明凝胶体系,同时形成CaCO3粒子,且粒子高度分散在凝胶体系中。随着时间的推移,凝胶体系逐渐失去流动性,再对凝胶进行干燥或烧结处理,得到纳米结构复合材料。该法使CaCO3在有机基体中高度分散,充分发挥纳米材料的性能优势,所制备复合材料的各项性能优良。但该法由于在干燥过程产生收缩应力,导致很难获得大批量产品,无法进行工业化生产。

 

2.2原位聚合法

 

该法是按一定比例将CaCO3均匀混入塑料单体中,在塑料单体发生聚合反应制备高分子塑料时,由于CaCO3粒子与塑料单体发生物理或化学反应,使CaCO3能够有效附着在塑料单体表面,并随着单体的缩聚过程均匀的分散在塑料基体中。利用该法制备复合材料,反应条件温和,可在不改变无机纳米粒子自身特性的情况下具有优异的成型效果。但目前使用技术还不成熟,未能大范围使用。

 

2.3共混法

 

该法是利用物理共混的方式,用乳液共混、熔融共混和机械共混的形式,将CaCO3粒子混入已经缩聚成型的塑料基体中。共混法具有过程简单可控,设备简单,碳酸钙和塑料基体的制备可分步进行,互不干扰,可批量生产等优势,也是目前塑料改性最为常见的方法之一。不过,共混过程中碳酸钙如何均匀分散在塑料基体中也是个长久课题。

 

另外,在共混过程中添加特殊结构的无机矿物,形成材料结构上的良性调整也有助于韧性增加。例如,碳酸钙、硅灰石水镁石、海泡等矿物都可能产生特殊结构,如球状、片状、纤维状、网状、层状、多孔等结构。

 

3碳酸钙增韧塑料研究进展

 

3.1ABS增韧

 

Jiang等采用熔融共混法,分别制备出了纳米CaCO3/ABS复合材料和微米CaCO3/ABS复合材料。结果表明,纳米CaCO3在复合材料中分散更均匀,且前者所表现出来的力学性能明显优于后者。分析认为,造成这种情况的主要原因是纳米CaCO3与ABS的界面面积增大和韧带的空化剪切屈服协同影响。

 

3.2PP增韧

 

Feng等为改善PP纤维与水泥基体的粘结性能,采用纳米CaCO3对PP纤维进行表面改性。发现经纳米CaCO3改性后,PP纤维表面粗糙度增加,形成致密的水化产物,水化程度高。将改性后的PP纤维填充水泥发现,其复合材料抗弯性能得到明显提升。

 

3.3增韧母料

 

专利CN102875869A,公开了一种纳米碳酸钙增强增韧塑料母料及其制备方法。该母料是由纳米碳酸钙、微米碳酸钙、茂金属聚乙烯、载体树脂和助剂组成,纳米和微米碳酸钙的共混加入提高了母料增强增韧的作用,茂金属聚乙烯强度高、韧性好,可同时提高母料的增强增韧效果。

 

该母料在制备时分两步完成,使纳米碳酸钙经过了两次同向双螺杆挤出机,进一步加强了其在母料中的分散性,充分体现了其增强增韧的作用。本发明的优点在于使纳米碳酸钙均匀地分散在载体树脂中,制成的母料大大体现了纳米碳酸钙特有的增强、增韧性能。

 

4无机粉体增韧塑料技术展望

 

从宏观角度来看,未来塑料增韧增强主要向材料复合技术路线发展。如通过选用低成本的无机材料,通过纳米粉体、一维结构材料(硅灰石、碳酸钙晶须、短玻璃纤维)、二维结构材料(滑石粉、云母粉、石墨烯)三维结构(硫酸钡、玻璃微珠等提高材料综合性能,制备成母料,既可以替换纳米增韧母料,也可以替换玻璃纤维增强母料,具有较宽的适应性。

 

例如,武汉理工大学张凌燕研究了复合体系的增韧机理,发现PP复合材料的强度及韧性的提高并不是云母、硅灰石、碳酸钙或者LDPE、POE某一单因素所起的作用,而是体系中三者协同作用的结果。因此几种材料之间的协同作用会成为未来塑料增韧增强技术的发展趋势。

 

结语

 

对碳酸钙而言,价格是一个优势,能有效确保使用量;形貌可加工性是另一个优势,例如碳酸钙晶须、球形、多孔、饼状等;品类丰富,有轻钙、重钙、纳米钙等同源多样化产品,粉体属性存在多样话,能与多种矿物复配,面对普通性质的粉体材料和塑料制品,碳酸钙广泛的普适性也是一个较大优势。

 

参考来源

陈庆,等:塑料增韧增强技术现状分析及发展趋势,成都新柯力化工

童佳佳,等:纳米CaCO3改性及其在塑料中的应用,合肥工业大学

张凌燕,等:硅酸盐矿物增韧增强聚丙烯复合材料试验研究,武汉理工大学

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作者:昧光

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