本科毕业论文---聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制.doc

聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制
密 级 保 密
学 号 091511

毕 业 设 计（论 文）

聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制

院（系、部）： 材料科学与工程学院
姓 名： XXXXX
班 级： 高XXX
专 业： 高分子材料与工程
指导教师： 陆晓中
教师职称： 教 授

2013 年 6 月 15 日·北京

北京石油化工学院
学位论文电子版授权使用协议

论文《聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。
本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。
本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。

注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。

院系名称： 材料科学与工程学院
作者签名： XXXXX
学 号： 091511
2013年 6 月 15 日

32

聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制
北 京 石 油 化 工 学 院
毕 业 设 计 （论 文）任 务 书
学院（系） 材料科学与工程学院 专业 高分子材料与工程 班级 高XXX
学生姓名 XXXX 指导教师/职称 陆晓中/教授
1. 毕业设计（论文）题目
聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制
2. 任务起止日期
2013年 2 月 25日 ~ 2013年 6 月 15 日
3. 毕业设计（论文）的主要内容与要求（含原始数据及应提交的成果）
硅酸钙微粉是从粉煤灰废弃物中提炼得到的一种新型无机粉体材料，其微观结构呈蜂窝状，比表面积很大，在高分子材料中具有广阔的应用前景。本课题旨在研究一类聚丙烯专用硅酸钙填充母料的制备技术。

本课题的主要研究内容：
1） 研究PP基硅酸钙填充母料的制备技术；
2） 研究硅酸钙填充母料用量对填充PP性能的影响规律。

论文结束时向指导教师提交：
1） 学生工作日志；
2） 外文文献翻译稿（含原文及电子版）；
3） 开题报告（含电子版）；
4） 毕业论文3册（含电子版）；
5） 参考文献原件或电子版；
6） 真实、全面的原始数据、测试记录及相关图表等；
7） 学校要求上交存档的其他毕业环节资料。
4. 主要参考文献
[1] 黄兴. PP共混增韧改性的研究及应用进展[J]. 国外塑料. 1999, 17(2). 14~20, 27;
[2] 刘晓霞, 周惠, 张普玉. 聚丙烯成核剂研究进展[J]. 塑料工业. 2006, 34(2). 1~3, 10;
[3] 李玮, 刘佑习. 聚丙烯的改性[J]. 高分子材料科学与工程. 1997, 13(6). 9~14;
[4] 张英杰, 梁基照. 聚丙烯的物理改性[J]. 上海塑料. 2007, (3). 9~12;
[5] 王金保. OM聚烯烃改性母料的研究与应用[J]. 塑料工业. 1993, (5). 63~65;
[6] 郑玉奥, 林为, 江经烺. 玻璃微珠填充塑料母料的研制[J]. 化学建材. 1990, (3). 6~10;
[7] 邹忠发. 活性碳酸钙及其填充母料的研制与应用[J]. 现代塑料加工应用. 1995, 7(6). 38~41, 46;
[8] 章峻, 成江, 胡柏星, 任俊, 沈健. CaCO3颗粒级配填充对PP性能和结构的影响[J]. 高分子材料科学与工程. 2003, 19(1). 184~187;
[9] 张峻珩, 熊丽君, 吴璧耀. PP镁盐晶须复合材料的性能研究[J]. 化工新型材料. 2006, 34(7). 51~54, 47;
[10] 樊泽东, 罗筑, 于杰, 秦舒浩, 朱红. 超微细滑石粉的表面改性及对聚丙烯性能的影响[J]. 高分子材料科学与工程. 2007, 23(3). 143~147;
[11] 杨华明, 曹建红, 敖伟琴, 邱冠周. 超细滑石粉填充PP的增强效应[J]. 中国塑料. 2003, 17(1). 82~84;
[12] Weon JI, Sue HJ. Mechanical properties of talc- and CaCO3-reinforced high-crystallinity polypropylene composites[J]. Journal of Materials Science. 2006, 41(8). 2291~2300.
5. 进度计划及指导安排
周次
进度计划
指导计划
1~2
文献检索
文献检索方法
3
英文文献翻译
专业英语翻译技巧与方法
4
开题报告
开题报告写作方法
5
实验准备
配方设计方法、仪器设备使用方法
6~8
研究PP基硅酸钙填充母料的制备技术
试验方案、实验方法、
数据处理与实验方案修正
9~11
研究硅酸钙填充母料用量对填充PP性能的影响规律
试验方案、实验方法、
数据处理与实验结果分析
12~15
硅酸钙填充母料的初步应用试验
试验方案、实验方法、
数据处理与实验结果分析
16
论文写作
论文写作方法
17
论文答辩
论文答辩技巧

任务书审定日期 年 月 日 系（教研室）主任（签字）
任务书批准日期 年 月 日 教学院（部、系）院长（签字）
任务书下达日期 年 月 日 指导教师（签字）
计划完成任务日期 年 月 日 学生（签字）

聚丙烯用硅酸钙填充母料的研制
罗观晃
（北京石油化工学院，材料科学与工程系，北京 102617）

摘 要
本文研究了硅酸钙微粉的表面处理技术及硅酸钙填充母料的制备方法，并对硅酸钙填充母料的应用效果进行了初步评价。结果表明：钛酸酯偶联剂NDZ-311W、硅烷偶联剂KH-570及有机硅表面处理剂4600A均可在一定程度上改善硅酸钙粉体的疏水性，但活化指数均很小。硬脂酸对硅酸钙具有可在一定程度上改善硅酸钙粉体的疏水性；且当硬脂酸用量达5phr时，活化硅酸钙的活化指数可达100%，改性效果较好。从填充母料制备的难易程度来看，硅酸钙仅适宜制备复合母料，且复合母料中硅酸钙的实际填充量不易超过40%；在填充量相同时，采用复合填充母料可在一定程度上降低PP填充材料的密度、提高其弯曲模量，其他物理机械性能指标则变化不大。
关键词：硅酸钙，聚丙烯，填充，母料，改性

Developed of Calcium Silicate Filler Masterbatch used for PP
Luo Guanhuang
(Dept. Mat. Sci., Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)
Abstract
The surface treatment method of the calcium silicate and the preparation methods of the calcium silicate filler masterbatch as well as the application effects of these filler masterbatches in PP were studied in this paper. It was proved that the titanate coupling agent NDZ-311W, the silane coupling agent KH-570, and the silicone surface treatment agent 4600A can reduce the hydrophobicity of the calcium silicate powder, but the activation indices of these powder is rather low. The stearic acid can also reduce the hydrophobicity of the calcium silicate powder, and the activation indices of the active powder can reach 100% when the content of stearic acid is 5phr. Considering the difficulties of the masterbatch preparation, the calcium silicate should only be used to prepare some complex filler masterbatch with other proper inorganic filler such as the talc power, and the content of calcium silicate in the comlex filler masterbatch shoud not be more than 40%wt. When the filling content is the same, these complex filler masterbatch can reduce the density and increase their bending modulus of the filled PP, meanwhile other physical and mechanical properties change little.
Key Words: calcium silicate (CSH); polypropylene (PP); fill; masterbatch; modified目 录
摘 要 1
ABSTRACT 2
第1章 前 言 1
1.1 硅酸钙的性能简介 1
1.2 聚丙烯的结构、特性与应用 1
1.2.1 聚丙烯的结构 1
1.2.2 聚丙烯的特性 1
1.2.3 聚丙烯的应用 2
1.3 聚丙烯的改性方法 2
1.3.1 物理改性方法 2
1.3.1.1 填充改性 2
1.3.1.2 增强改性 2
1.3.1.3 共混改性 3
1.3.1.4 成核剂改性 3
1.3.2 化学改性方法 3
1.4 填充母料的制备技术 3
1.4.1 填充母料结构模型 4
1.4.2 填充母料配方设计 4
1.4.2.1 填料核 4
1.4.2.2 偶联剂 6
1.4.2.3 分散剂 7
1.4.2.4 增混物 7
1.5 粉体表面的活化处理 8
1.6 选题背景及研究意义 9
第2章 实验部分 10
2.1 实验原料 10
2.2 试验仪器 10
2.3 试样制备 10
2.3.1 活性填料的制备 10
2.3.2 填充母料的制备 11
2.3.3 PP填充塑料试样的制备 11
2.4 性能测试 11
2.4.1 吸水率 11
2.4.2 活化指数 12
2.4.3 密度 13
2.4.4 熔体流动速率 13
2.4.5 拉伸性能 14
2.4.6 弯曲性能 14
2.4.7 简支梁冲击强度 15
2.4.8 热变形温度 15
2.4.9 模塑收缩率 15
第3章 结果讨论 16
3.1 硅酸钙微粉的表面处理技术研究 16
3.1.1 钛酸酯偶联剂对硅酸钙的活化作用 17
3.1.2 硅烷偶联剂对硅酸钙的活化作用 18
3.1.3 有机硅表面处理剂对硅酸钙的活化作用 19
3.1.4 硬脂酸对硅酸钙的活化作用 20
3.1.5 基本结论 21
3.2 APP基硅酸钙填充母料的研制及其应用效果的初步评价 22
3.2.1 填充母料的制备工艺 24
3.2.2 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料密度的影响 24
3.2.3 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料熔体流动速率的影响 25
3.2.4 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料拉伸强度的影响 25
3.2.5 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料断裂伸长率的影响 26
3.2.6 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料弯曲强度的影响 26
3.2.7 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料弯曲模量的影响 27
3.2.8 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料热变形温度的影响 27
3.2.9 填充母料中硅酸钙含量对PP填充材料冲击强度的影响 28
3.2.10 基本结论 28
第4章 结 论 29
参 考 文 献 30
致 谢 31
声 明 32

第1章 前 言
1.1 硅酸钙的性能简介
硅灰石主要成分为硅酸钙，颜色呈白色玻璃光泽，解理面呈珍珠光泽。硬度4.5~5.5，密度2.75~3.10g/cm3。完全溶于浓盐酸。一般情况下耐酸、耐碱、耐化学腐蚀。吸湿性小于4%。吸油性低、电导率低、绝缘性较好。
硅灰石是一种无机针状矿物，其特点无毒、耐化学腐蚀、热稳定性及尺寸稳定良好，有玻璃和珍珠光泽，低吸水率和吸油值，力学性能及电性能优良以及具有一定补强作用。硅灰石产品，纤维长而易分离，含铁量低，白度高。该产品主要用作高聚合物基复合材料的增强填料。如塑料、橡胶、陶瓷、涂料、建材等行业。
硅酸钙是一种新型无机粉体材料。其微观结构呈蜂窝状，比表面积很大，因而与基体的接触面积也大。当材料受冲击时产生更多的屈服，能吸收更多的冲击能。用它作为塑料填料不仅可降低制品成本、改善制品的蠕变性，还可提高制品的热变形温度及尺寸稳定性。因此越来越受到人们的关注[1]。
1.2 聚丙烯的结构、特性与应用
1.2.1 聚丙烯的结构
按甲基排列位置分为等规聚丙烯、无规聚丙烯和间规聚丙烯三种。甲基排列在分子主链的同一侧称等规聚丙烯，聚丙烯树脂若甲基无秩序的排列在分子主链的两侧称无规聚丙烯，当甲基交替排列在分子主链的两侧称间规聚丙烯。一般工业生产的聚丙烯树脂中，等规结构含量约为95%，其余为无规或间规聚丙烯。工业产品以等规物为主要成分。

图1-1 聚丙烯的结构图
1.2.2 聚丙烯的特性
聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而得到的高分子化合物。由于其原料丰富，合成工艺比较简单，与其他通用热塑性塑料相比，PP具有相对密度小、价格低、加工性好以及综合性能较好等特点，其屈服强度、拉伸强度、表面硬度及弹性模量均较优异，并有突出的耐应力开裂性和耐磨性，近年来发展迅速，成为塑料中产量增长最快的品种，但聚丙烯也存在低温脆性、机械强度和硬度较低、成型收缩率大、易老化、耐温性差等缺点[2]。
1.2.3 聚丙烯的应用
聚丙烯性能优越，用途广泛，主要用途：
1） 耐水蒸汽：医用消毒器件；
2） 无毒：食品、药品包装和日用品；
3） 相对高的强度和耐热性：轻载的机械、汽车零部件；
4） 优异的耐腐蚀性：耐热、耐腐蚀的化工管道、容器、阀门配件等；
5） 优异的电绝缘性：电子、电气配件(电信电缆绝缘、电器外壳）[3]。
1.3 聚丙烯的改性方法
为了改进聚丙烯性能，延长其寿命并进一步扩大聚丙烯的应用领域，聚丙烯的改性研究工作相当活跃，其方法也多种多样。总体上可分为：物理改性和化学改性。
1.3.1 物理改性方法
1.3.1.1 填充改性
填充PP的有机填料有木粉、稻壳粉、玉米棒芯、花生壳粉等；常用的无机填料常用：碳酸钙、滑石粉、云母粉、硅灰石等。为了得到性能优良的填充聚丙烯，应考虑以下几点：填料粒度、填料种类、填料的界面作用和填料在聚丙烯中的分散性等。
1.3.1.2 增强改性
增强改性聚丙烯可以取代工程塑料，所采用的增强材料有玻璃纤维、石棉纤维等，或者通过特殊的加工成型方法和特殊的模具使聚合物的形态结构发生改变。尽管近年来开发了一些单晶纤维如碳化硼、碳化硅等作为增强材料，但由于价格高、工艺操作困难，所以除了一些特殊需求的高级复合材料使用外，目前还很少用作聚丙烯等一些通用塑料的增强材料。其主要的改性方法有：自增强改性和纤维增强改性等。
1.3.1.3 共混改性
共混改性可以改善PP的热稳定性、抗冲击性能（尤其是抗低温冲击性能）和韧性，扩展了的聚丙烯的应用领域。共混改性是目前应用最广泛的改性技术，它包括聚丙烯与橡胶共混和聚丙烯与其它塑料树脂共混等。其主要改性方法有：PP与工程塑料共混改性、PP与聚乙烯(PE)共混改性和PP与橡胶或热塑性弹性体共混改性等。
1.3.1.4 成核剂改性
成核剂改性指在聚丙烯中添加适当的成核剂，改变其结晶形态、结晶行为、结晶速度以及晶体结构，从而达到材料改性的目的。对于半结晶聚丙烯，结晶行为和晶粒结构直接影响制品的加工和应用性能。在材料中加入少量成核剂能加快结晶过程，增加成核密度，使晶粒微细化，同时对材料的化学结构和其它性能影响很小。球晶尺寸的降低和结晶度的增加赋予了制品良好的机械性能，提高了刚性和抗冲击性[3]。
1.3.2 化学改性方法
化学改性是指通过交联剂等进行交联；或是通过嵌段和接枝共聚，在聚丙烯大分子链中引入其他组分；或是通过发泡剂等进行改性，由此赋予聚丙烯优良的耐热性，较高的抗冲击性能和抗老化性。常用化学改性手段包括交联改性、共聚改性、降解改性和接枝改性等。具体如，与极性单体马来酸酐、丙烯酸等接枝来改善粘结性和着色性与乙烯共聚生成乙丙共聚物以增加透明性，提高韧性和抗冲击强度加入引发剂或辐照产生交联结构，提高聚丙烯的耐热性能和力学性能。
1.4 填充母料的制备技术
填充母料可以综合均衡聚合物组分的性能，取长补短， 消除各单一聚合物组分性能上的弱点，获得综合性能较为理想的聚合物材料。因而在塑料制品成型加工中， 加入一定比例的填充母料， 不仅能显著地改善塑料的加工性能和使用性能， 而且还能降低成本， 节约树脂， 节约能源， 提高生产率和商品价值。发达国家利用各种母料已占塑料制品耗料总量的40%以上。随着塑料工业的迅速成长， 填充母料在塑料加工方面的消耗量已经发生长期而稳定的增长状态。因此， 有必要研究开发这类产品， 从而达到增加塑料制品产量， 扩大应用范围的目的。
无机粒子填充改性塑料， 常用的工艺方法有两种: 一次造粒法和母粒法。一次造粒法， 即无机粒子进行(或不进行)表面处理后， 与树脂粉料或粒料等一次混料后挤出、造粒， 所得的改性粒子直接用于成型各种制品;
母粒法， 即无机粒子进行(或不进行)表面处理后， 与树脂、助剂等按配方比例加入高速混合机中， 高温搅拌数分钟， 出料， 再在开炼机上进行混炼、拉片， 然后粉碎成颗粒即得到母粒。母粒与树脂物理掺混后即可用于成型制品。硅灰石作为一种无机填料， 其被填充用于改性塑料的方法， 无外乎上述两种[9]。
1.4.1 填充母料结构模型
填充母料的理想结构模型可用图1-2来表示。它由四个基本部分组成，在这基本微粒单元中，填料核主要起到增容、提高刚性、降低成本等作用。
偶联层主要是由对核和树脂同时起到化学和物理作用的偶联剂以及少量交联剂组成，它可以改善填料与树脂间的结合力.分散层主要是由一些低聚物及分散剂构成，它的作用是能使处理好的粉末状填料在母料造粒过程中较好、较多地与增混剂混合并造成粒，同时对改善填充母料与树脂体系的流动性，避免无机填料团聚，提高制品表面光洁度和手感等方面起到关键的作用。
增混层主要是由与要填充的树脂有很好的相容性，有一定的力学性能的树脂和(或)具有一定的双键的共聚物构成。由于这一层的量比较大，它直接与要填充的树脂接触、混容，因此对体系的力学性能影响较大.根据这个结构模型，可设计填充母料的生产工艺及配方[5]。

图1-2 理想填充母料结构模型

1.4.2 填充母料配方设计
由上述结构模型可知，填充母料除主体部分填料外，还有载体树脂、偶联剂、分散剂及改性剂等等，在配方设计时都应加以考虑，现分别介绍如下。
1.4.2.1 填料核
目前我国塑料填料除主要使用CaCO3外，还使用滑石粉、高岭土、硅灰石、云母、粉煤灰及木粉等[4]。
1） 碳酸钙：
碳酸钙因其价格低廉、无毒无味、色泽白并易着色、硬度低、化学稳定、易干燥等多种优点成为使用最为广泛，用量最大的塑料填充材料。依据视密度(g/mL)不同，分为重质碳酸钙和轻质碳酸钙。采用天然矿石经粉碎研磨而成的为重质碳酸钙;以石灰石为原料经锻烧、消化、重新碳酸化等化学过程而制成的碳酸钙其堆积体积较大，称之为轻质碳酸钙[6]。
碳酸钙价格低廉、来源丰富、无毒、无刺激性气味、白度好而折射率低、易于着色、粒度分布均匀、能增进塑料色泽、改进染色性。
2） 滑石：
滑石很容易经破碎研磨加工成粉末，滑石硬度低，做为填料在加工时对塑料成型设备和模具磨损轻;滑石粉呈片状，有利于提高所填充基体材料的刚性和耐热性;滑石粉对波长7~25μm的红外线具有阻隔作用，此外滑石粉填充的塑料其加工流动性好，相对于其它填料，同样条件下滑石粉填充的塑料更易于加工。
3） 云母：
云母经干法或湿法粉碎后可用做塑料填料其晶形是片状的，其径厚比较大，如能在填充塑料加工时保持其较高的径厚比，则填充塑料的增强效果将十分显著。云母粉主要用来提高塑料制品的刚性和耐热性，云母粉填充的塑料其尺寸稳定性好、成型收缩率减小。云母粉另一主要特点是对7~25μm波长的红外光有良好的阻隔作用，超过具有同类功能的高岭土和滑石粉。
4） 高岭土：
在塑料中使用高岭土主要是经锻烧的高岭土，用于提高塑料的绝缘强度。经低温缎烧的电性能最佳;高温锻烧可获得颜色较白的产品。如同云母粉和滑石粉一样，高岭土对7~25μm波长的红外线也有阻隔作用，而且由于高岭土的阻隔能力接近云母而价格适中。
5） 硅灰石：
硅灰石属三斜晶系晶针状结构，经恰当的粉碎工艺，其颗粒的长径比达15:1以上，如果在粉碎时硅灰石的针状结构被破坏，硅灰石粉填充塑料的优越性就很难显现出来。硅灰石粉作为填料在塑料中的作用主要是用来提高拉伸强度和挠曲强度。在玻璃纤维增强塑料中能代替价格较贵的玻璃纤维。另一方面硅灰石粉填充的塑料吸水性显著降低，这一特点可以改进吸水性较强的尼龙制品在潮湿环境下因吸水导致强度和模量下降的缺点。
硅灰石粉填料已在塑料中应用，但从数量上看并不多，这主要是因为多数硅灰石粉在塑料加工的温度下颜色变灰以及较高的长径比很难在机械力作用下保持下来等原因。
6） 硅玻璃纤维：
玻纤具有远高于高分子材料的拉伸强度，一也高于碳钢、铝合金或合金结构钢的拉伸强度，同时玻纤是典型的弹性体，拉伸时伸长形变与应力成正比，一旦去除应力，其形变可完全恢复，具有优良的尺寸稳定性。玻纤还具有良好的耐热性和优良的电绝缘性能。
7） 氢氧化镁和氢氧化铝：
氢氧化镁和氢氧化铝填充到塑料中可兼具填充、阻燃和消烟三种作用。镁或铝的氢氧化物加人到塑料中，一旦处于燃烧状态，它们将吸收一部分燃烧热、延缓或阻止高分子材料进一步热分解，同时释放出的水形成蒸气稀释了可燃性物质，分解产物为不燃的氧化镁或氧化铝，沉积在高分子材料的表面上起到隔绝空气的作用，从而达到阻燃的目的。
8） 其他：
随着非金属矿工业的发展，越来越多的矿物被开采和投放进入市场，也必然要在塑料用填料市场中占有一席之地，除前面提到的绢云母之外还有伊利石、粉石英、硅土、叶蜡石、硅藻土、沸石、蛙石、重晶石等等。这些非金属矿物加工成粉末后原则上都可以用作塑料的填料，但由于价格、色泽、物理或儿何特征等原因、无论在应用的范围上和应用的数量上都还不能与碳酸钙、滑石粉相比。我们期待着众多的非金属矿物依据自身的特色在塑料填料家族中占据自已的一席之地。
1.4.2.2 偶联剂
偶联剂按化学结构一般可分为:硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂及其他类偶联剂。一般来说，偶联剂两端的官能团分别与填料的分散相和基质聚合物进行反应。
因填料不同，偶联效果差别很大，例如硅烷偶联剂对于二氧化硅、三氧化二铝、玻璃纤维、陶土、硅酸盐、碳化硅等有显著效果，对滑石粉、粘土、氢氧化铝、硅灰石、铁粉、氧化铝等效果稍差些，对石棉、二氧化钛、三氧化二铁等效果不太大，对碳酸钙、石墨、炭黑、硫酸钡、硫酸钙等效果很小。
表面具有硅醇基的填料，硅烷偶联剂的偶联效果大，而对于钙、镁、钡的碳酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐等，硅烷偶联剂的偶联效果则不太明显。若用二氧化硅的水溶胶处理没有硅醇基的填料粒子表面，然后再使用硅烷偶联剂，此时就会产生较好的偶联效果，这种处理方法被称为双涂层法。
钛酸酯偶联剂及铝酸酯偶联剂均能处理填料的表面，只是处理的效果各有一定的针对性。如钛酸酯偶联剂处理效果比较好的填料有碳酸钙、硫酸钡、硫酸钙、亚硫酸钙、氢氧化铝、氢氧化镁、硅酸钙、硅酸铝、钛白粉、石棉、氧化铝、三氧化二铁、氧化铅、铁酸盐等;处理效果稍次的填料有云母、二氧化硅、氧化镁、氧化钙等;处理效果较差的填料有滑石粉、炭黑、木粉;几乎没有效果的有石墨、磁粉、陶土、一般颜料等。不过也要根据偶联剂的具体品种、牌号、用量等再确定。
1.4.2.3 分散剂
一个优良的分散剂应满足以下要求:分散性能好，防止填料粒子之间相互聚集;与树脂、填料有适当的相容性;热稳定性良好;成型加工时的流动性好;不引起颜色飘移;不影响制品的性能;无毒、价廉。分散剂的用量一般为母料质量的5%。
1） 石蜡类：
液体石蜡：凝固点-15~-35℃，在挤出和注射成型加工时，与树脂的相容性较差，添加量一般为0.3%~0.5%，过多时，反而使加工性能变坏。微晶石蜡:由石油炼制过程中得到，其相对分子质量较大，且有许多异构体，熔点65~90℃，润滑性和热稳定性好，但分散性较差，用量一般为0.1%~0.2%，最好与硬脂酸丁酯、高级脂肪酸并用。
2） 金属皂类：
高级脂肪酸的金属盐类，称为金属皂，如：硬脂酸钡(BaSt)适用于多种塑料，用量为0.5%左右；硬脂酸锌(ZnSt)适于聚烯烃等，用量为0.3%；硬脂酸钙(CaSt)适于通用塑料，外润滑用，用量0.2%~1.5%。
3） 低分子蜡类：
常用的聚乙烯蜡平均相对分子质量为1 500~4 000，其软化点为102℃;其他规格的聚乙烯蜡平均相对分子质量为10 000~20 000，其软化点为106℃;氧化聚乙烯蜡的长链分子上带有一定量的酯基或皂基，因而对PVC、PE、PP、ABS的内外润滑作用比较平衡，效果较好，其透明性也好。
1.4.2.4 增混物
增混物也叫作载体树脂，以软化点低，包覆填料效果好的无规聚丙烯最为常用，其他还有LDPE、HDPE、LLDPE、PS、CPE、EVA等，有时也可选用上述树脂的共混物，如LDPE和LLDPE的共混物。若母料用于PVC树脂，选择-甲基苯乙烯的低聚物(AMS)树脂作为母料载体，填充效果较好。此外，用无水马来酸酐接枝聚乙烯、聚丙烯等效果也很好。增混物用量为母料质量的15%~30%。
1.5 粉体表面的活化处理
无机粉体粒子为极性，而树脂为非极性，二者难以相容。要想使无机粒子均匀地分布到树脂中，并能与树脂的分子链产生较强的亲合力，必须对无机粒子表面进行活化处理。目前所用活化剂有表面活性剂，如硬脂酸:偶联剂，如硅烷偶联剂、钦酸醋偶联剂、铝酸醋偶联剂、酸式亚磷酸醋偶联剂、稀土偶联剂和铝/钦复合偶联剂等;高分子处理剂如聚烯烃马来酸醉接枝共聚物等。其中用的最多的是铝酸醋偶联剂和铝/钦复合偶联剂。其用量一般为无机粉体质量的1.2%~2%。
无机粉体的粒径越小，比表面越大，偶联剂的用量也就越多。表面处理一般采用干法，即在高搅机内用偶联剂对无机粉体进行表面包覆处理。由于偶联剂都属于醋类化合物，遇水易水解而失效，所以在表面包裹之前，无机粉体一定要干燥，具体作法是在未加人偶联剂之前，先将无机粉体在高搅机内，高速搅拌数分钟，温度升高可达80℃~90℃，此时无机粉体中小量的水份大部分可以除去。为了使小量的偶联剂能将每一个无机粒子充分包裹。可以通过加热将偶联剂溶于白油中成粘稠状液体后，再加人高搅机内。这种表面处理效果比单纯用偶联剂好。白油在后续造粒过程中可以起到润滑剂的作用。
无机粉体表面活化处理技术近年来又有新的进展，应用效果比较好的有两种。一种是采用新型活化剂，该活化剂有别于传统的表面活性剂或偶联剂，也不同于高分子处理剂。新型活化剂的分子量介于二者之间，分子中含有高活性反应基团，活化剂是以化学键的方式牢固地包彼在无机粉粒子表面，活化剂分子的剩余部分为非极性长的饱和碳链，以较大的接触面积与树脂的分子链之间形成强的范德华亲合力，从而使无机粉体填充量较大的情况下，复合材料仍具有较好的力学性能。另一种新的表面活化处理技术，是采用双包膜方法，即将用偶联剂处理后的无机粉体，再用一种能与偶联剂发生化学反应的活化剂进行二次包膜处理。该技术的特点是:在使无机粉体与树脂之间形成较强结合力的同时，由于所用的二次包膜活化剂的结构特征，可以在无机粒子表面形成一层弹性膜，当复合材料受到外力冲击时，由于弹性膜的缓冲作用，可使应力得以分散。所以采用该技术处理无机粉体所制得的复合材料具有显著的补强增韧功能。
无机粉体表面活化处理技术对复合材料的力学性能影响非常之大。由于新型活化剂和新的表面活化处理技术的应用，为无机粉体填充改性塑料向着多品种、多功能和高性能方向发展创造了条件[7, 8]。
刘枫阁等人研究表明，母粒法与一次造粒法制得的硅灰石/PP 填充体系性能相差不大。但由于母粒法使得硅灰石粉分散均匀， 故在强度和刚度上比一次造粒法为佳。其研究还表明，母粒与PP粒料物理掺混后直接注射试样与再进行二次造粒法所得试样的缺口冲击强度相差不大， 故为简化工艺、节省成本， 生产中可采取母粒与PP 粒料物理掺混后直接使用的方法。
无机粒子表面处理与否以及所采用的处理方法， 对填充复合塑料性能有重大的影响。有人研究表明，以硅烷偶联剂处理的硅灰石用PP体系，拉伸强度、弯曲强度和弹性模量皆比未处理的填充体系高， 而冲击强度则略低。朱静安等人问发现， 经偶联剂处理硅灰石用P P填充体系的熔体粘度， 都较相应未处理体系的熔体粘度低。按使熔体粘度降低的效果将偶联剂排序， 依次是硅烷类(KH550、KH570 )、氯化石蜡。可见，钛酸醋、铝酸醋等醋类的效果最佳，认为这是由于长链烃基在硅灰石粒子表面形成单分子层，使粒子较好地分散加之增塑作用所致。
袁世平等人以非离子表面活性剂—高级脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂作处理剂对硅灰石粉表面进行活化，效果也十分良好，使熔体粘度得以下降，改善了加工性能。李华等人用以硅烷偶联剂A174处理的硅灰石填充本体法PP粉料， 所制打包带的断裂拉力比对比样高出3.07%~3.58%。
刘枫阁等人在硅灰石用PP体系中采用了铝酸醋偶联剂DL-411( 福建师范大学)。贺昌城等人以KH550 和DL-411-D 铝酸醋偶联剂对针状和超细两种硅灰石粉进行处理并填充PP，发现后者对改善体系缺口冲击强度的效果更明显[9-19]。
1.6 选题背景及研究意义
聚丙烯（PP）是一种通用型塑料，用途非常广泛。由于其原料丰富，合成工艺比较简单，与其他通用热塑性塑料相比，PP具有相对密度小、价格低、加工性好以及综合性能较好等特点，但聚丙烯也存在低温脆性、机械强度和硬度较低、成型收缩率大、易老化、耐温性差等缺点。为了长期使用并扩大应用范围，须对聚丙烯塑料进行改性。PP填充改性是在PP树脂中加入一定量的无机填料、有机填料来提高制品的某些性能，并能降低材料成本。硅酸钙填充PP复合材料可以降低制品成本，提高刚性、耐热性和尺寸稳定性。
我国对塑料填充料的研究始于八十年代初期，填充PP的无机填料常用：云母粉、硅酸钙、滑石粉等。本文采用的硅酸钙来自电厂粉煤灰提铝副产物，具有微孔结构丰富、比表面积大等特点，本课题旨在研究硅酸钙填充PP的性能，为该类新型填充材料的研发和应用提供参考依据。
第2章 实验部分
2.1 实验原料
表2-1 实验药品
序号
配料名称
型号规格
生产厂家
1
聚丙烯
T30S
辽宁华锦
2
无规聚丙烯
APP K6
市售
3
硅酸钙
CSH-21
内蒙古大唐再生资源有限公司
4
滑石粉
Tac-L1
安徽宿松
5
钛酸酯偶联剂
NDZ-311W
南京曙光
6
硅烷偶联剂
KH-570
江苏晨光
7
有机硅表面处理剂
4600A
诺威特
8
硬脂酸

市售
9
聚乙烯蜡

北京丰望
10
抗氧剂
1010
市售
11
抗氧剂
168
市售
2.2 试验仪器
表2-2 试验仪器
序号
生产制样设备
型号
生产厂家
1
电热鼓风干燥箱
DH-101-4
天津市中环实验电炉有限公司
2
料理机
JYL-C020
九阳股份有限公司
3
高速混合机
SHR-10B
江苏联冠科技发展有限公司
4
平行同向双螺杆挤出造粒机
TE-034
江苏科亚化工设备公司
5
注塑成型机
SJ-160/80NB-A
浙江宁波通达塑机有限公司
6
熔体流动速率仪
XNR-400
承德市金建检测仪器有限公司
7
可程式恒温恒湿试验机
KD-3P-50A
东莞市科迪仪器有限公司
8
微机控制电子万能试验机
RG2000-100
深圳瑞格尔仪器有限公司
9
简支梁冲击试验机
XJJ-5
承德金建检测仪器有限公司
10
热变形、维卡软化点测定仪
XRW-300HB
承德金建检测仪器有限公司
2.3 试样制备
2.3.1 活性填料的制备
采用料理机或高速混合机。活化处理工艺条件如下：
1） 硅酸钙在200℃下预干燥2h后再准确称量；
2） 表面处理剂按试验配方准确称量后用异丙醇或其他适当的溶剂稀释至20%浓度；
3） 一次投料，投料后密封上盖，高速搅拌混合15min（中间停顿3次）；
4） 处理好的粉体于120℃下干燥2h。
2.3.2 填充母料的制备
采用常州苏研科技有限公司生产的S（X）M -1L-KA型密炼机。密炼工艺如下：
1） 密炼机预热至200~260℃；
2） 一次投料，投料后封闭上顶栓，按先低速再高速的顺序逐步提高密炼机转速，密炼终点时熔体温度控制在185~260℃；
3） 密炼塑化好的物料取出冷却，破碎后用于母料应用效果试验。
2.3.3 PP填充塑料试样的制备
1） 将聚丙烯与填充母料在适当的容器中简单翻混均匀。
2） 采用宁波通达塑机公司生产的SJ-160/80NB-A型注塑成型机，标准样条注塑模具。注塑工艺条件见表2-3。
2.4 性能测试
2.4.1 吸水率
1） 取一洁净干燥的200ml烧杯，准确称取其重量为W1；
2） 在烧杯中加入约20g刚刚经过活化处理的粉体，准确称取其重量为W2；
3） 将装有活性粉体的烧杯敞口放入23℃、RH 50%的恒温恒湿试验箱中保持4h；
4） 取出烧杯，称取吸湿