针状硅灰石表面处理及其聚丙烯复合材料的研究

摘要

聚丙烯(PP）是一种综合性能优良、应用广泛的通用塑料，但由于其存在机械强度低、成型收缩率大、冲击强度小等缺点，限制了PP在各个领域的拓宽应用，为了提高其强度、模量，改善冲击性能，需对PP进行增强处理。本课题根据硅灰石独特的针状特征，选用四种不同的表面处理方法（如:1.偶联剂处理;2.纤维素处理;3.SiO2包覆处理;4.SiO2/偶联剂以及SiO2/NCC协同处理）对硅灰石进行表面处理，并将处理后硅灰石填充到PP中，熔融共混挤出，制备相应的PP/硅灰石复合材料。选用红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)等对处理效果进行表征;借助电子拉力机考察复合材料的力学性能;运用差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)等测试手段研究了材料的结晶性能;通过毛细管流变仪分析了体系的流变行为;采用热失重分析仪(TGA)测定材料热稳定性;此外，还利用SEM观察了复合材料的断面形貌，探讨了不同表面处理方法对硅灰石的处理效果，以及硅灰石不同用量对复合体系结构和性能的影响。
　　结果表明:(1)FTIR显示四种偶联剂(KH550、KH570、NDZ-201、DL-411-A)与硅灰石有化学作用，活化指数表明偶联剂KH570和DL-411-A对硅灰石的处理效果较佳。KH570用量为2.0wt％、DL-411-A用量为1.5wt％时，PP/硅灰石体系的拉伸强度、弯曲强度均达到最大值，且体系的熔体流动性得到改善，综合性能较好，同时提高了硅灰石在PP基体中的分散及其与PP基体的界面相容性。
　　(2)MCC、NCC的引入使硅灰石颗粒表面羟基增多，比表面积增大;在一定程度上能够提高复合体系的刚性和硬度，处理硅灰石与PP基体的界面结合性较强，改善冲击韧性;体系熔体粘度随剪切速率增大而减小，仍为假塑性流体，其热稳定性提高。
　　(3)经SiO2包覆处理的硅灰石颗粒表面粗糙，棱角被钝化，改善了其表面性能;且硅灰石填充复合材料的球晶尺寸减小，晶核密度提高，复合体系熔融峰左侧出现了重结晶峰，SiO2粒子起到了异相成核的作用，同时能够提高材料韧性和耐热性能，延缓PP复合材料的热分解，改善PP基体的热稳定性。
　　(4)经协同处理后硅灰石表面羟基、表面粗糙程度均较单一处理增加明显，SiO2/KH570和SiO2/NCC(NCC用量为0.8wt％)两组处理效果最佳;PP/硅灰石复合材料拉伸、弯曲和冲击性能大幅度增加，处理后的硅灰石起到了很好的增强增韧效果，且熔体流动性好，综合性能最优。同时其结晶过程中球晶细化，晶核数增加，二者界面结合强，相容性好，并能够显著地延缓PP复合材料的热分解，提高其热稳定性。
　　(5)随着硅灰石用量的增加，PP/硅灰石复合体系的刚性和韧性下降明显，硅灰石在PP基体中的分散性变差，对体系的加工流动性影响不大，当硅灰石用量为20wt％时，综合性能最佳。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 聚丙烯(PP)增强改性的研究现状

1．1．1 PP的概述

1．1．2 PP化学改性研究现状

1．1．3 PP物理改性研究现状

1．2 硅灰石填充改性聚合物的发展概况

1．2．1 针状硅灰石的结构与性质

1．2．2 硅灰石增强PP复合材料的研究概况

1．3 硅灰石的表面处理

1．3．1 表面处理方法

1．3．2 偶联剂的概述及其作用机理

1．3．3 偶联剂表面处理硅灰石的研究与应用

1．3．4 硅灰石的表面无机包覆

1．3．5 改性处理效果的表征

1．3．6 微晶纤维素MCC、NCC的研究进展

1．3．7 SiO2／硅灰石复合粒子在聚合物中的应用

1．4 本课题的研究目的及意义

1．5 课题研究内容

2 材料与方法

2．1 实验主要原料

2．2 实验仪器和设备

2．3 硅灰石的表面处理

2．3．1 偶联剂表面处理硅灰石

2．3．2 纤维素表面处理硅灰石

2．3．3 二氧化硅包覆处理硅灰石

2．3．4 SiO2／偶联剂协同处理硅灰石

2．3．5 SiO2／NCC协同处理硅灰石

2．4 复合材料的制备

2．4．1 PP／硅灰石复合材料的制备

2．4．2 PP／硅灰石复合材料制备工艺流程图

2．5 标准测试样条的制备

2．6 性能测试

2．6．1 红外光谱(FTIR)分析

2．6．2 活化指数测试

2．6．3 粘度测试

2．6．4 力学性能测试

2．6．5 加工流动性能测试

2．6．6 耐热性能测试

2．6．7 流变性能测试

2．6．8 结晶形态观察

2．6．9 差示扫描量热法分析

2．6．10 热失重分析

2．6．11 SEM分析

3 结果与讨论

3．1 偶联剂表面处理硅灰石及其填充PP复合材料

3．1．1 偶联剂表面处理效果的表征

3．1．2 偶联剂处理硅灰石填充PP复合材料的力学性能

3．1．3 偶联剂处理硅灰石填充PP复合材料的结晶性能

3．1．4 偶联剂处理硅灰石填充PP复合材料的流变性能

3．1．5 偶联剂处理硅灰石填充PP复合材料的热性能

3．1．6 偶联剂处理硅灰石填充PP复合材料的断面形貌分析

3．2 MCC、NCC处理硅灰石及其填充PP复合材料

3．2．1 MCC、NCC处理效果的表征

3．2．2 MCC、NCC处理硅灰石填充PP复合材料的力学性能

3．2．3 MCC、NCC处理硅灰石填充PP复合材料的结晶性能

3．2．4 MCC、NCC处理硅灰石填充PP复合材料的流变性能

3．2．5 MCC、NCC处理硅灰石填充PP复合材料的热性能

3．2．6 MCC、NCC处理硅灰石填充PP复合材料的断面形貌分析

3．3 SiO2包覆处理硅灰石及其填充PP复合材料

3．3．1 SiO2包覆处理硅灰石处理效果表征

3．3．2 SiO2包覆处理硅灰石填充PP复合材料的力学性能

3．3．3 SiO2包覆处理硅灰石填充PP复合材料的结晶性能

3．3．4 SiO2包覆处理硅灰石填充PP复合材料的流变性能

3．3．5 SiO2包覆处理硅灰石填充PP复合材料的热性能

3．3．6 SiO2包覆处理硅灰石填充PP复合材料的断面形貌分析

3．4 SiO2／偶联剂以及SiO2／NCC共同处理硅灰石及其填充PP复合材料

3．4．1 处理效果的表征

3．4．2 SiO2／偶联剂、SiO2／NCC处理硅灰石填充PP复合材料的力学性能

3．4．3 SiO2／偶联剂、SiO2／NCC处理硅灰石填充PP复合材料的结晶性能

3．4．4 SiO2／偶联剂、SiO2／NCC处理硅灰石填充PP复合材料的流变性能

3．4．5 SiO2／偶联剂、SiO2／NCC处理硅灰石填充PP复合材料的断面形貌分析

3．4．6 SiO2／偶联剂、SiO2／NCC处理硅灰石填充PP复合材料的TGA分析

3．5 硅灰石用量对PP／硅灰石复合材料性能的影响

3．5．1 硅灰石用量对PP／硅灰石复合材料力学性能的影响

3．5．2 硅灰石用量对PP／硅灰石复合材料流变性能影响

3．5．4 硅灰石用量对PP／硅灰石复合材料断面形貌的影响

4 结论

5 展望

参考文献

7 攻读硕士研究生期间发表的论文情况

致谢