绢云母表面改性及其复合材料力学性能研究.pdf

为提高绢云母在有机体中的分散性，将十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙二醇 200、聚乙二醇 300 和聚乙二醇 400 进行二组分等比例复配，采用干法处理改性绢云母，以 25%的填充量添加到聚丙烯中制成复合材料。测试改性前后绢云母粉体的吸油值、沉降体积、热稳定性及复合材料的力学性能和微观形貌。结果表明，聚乙二醇 300 和十二烷基硫酸钠复配改性效果较优，活化绢云母的吸油值和沉降体积分别下降12.7 mL/100 g 和 1.9 mL/g，且热稳定性更好，复合材料的力学性能也优于传统改性剂。聚乙二醇 300 和十二烷基硫酸钠等比例复配改性绢云母复合材料力学性能最佳，冲击强度和弯曲应力分别为 40.34 kJ/m2和 45.81 MPa。复合材料的断面更加光滑平整，说明聚乙二醇 300 和十二烷基硫酸钠复配改性剂有效改善了填料与聚丙烯之间的相容性。关键词 绢云母；复配改性；复合材料；力学性能；微观形貌中图分类号：TD985；TQ316.6文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0006-04Study on Surface Modification of Sericite and Mechanical Properties of Its CompositesOu Meng1 Hua Li2 Wan Peihan3 Nan Jingmin1 Wang Bo1 Wan Maosheng1,2*(1 School of Materials Science and Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,Guangxi 541004;2 College of Materials and Chemical Engineering,Hezhou University,Hezhou,Guangxi 542899;3 School of Materials Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao,Shandong 266404)Abstract In order to inhance the dispersion of sericite in organism,sodium dodecyl sulfate,sodium dodecyl sulfonate,polyethylene glycol 200,polyethylene glycol 300 and polyethylene glycol 400 were compounded in equal proportion,and the modified sericite was treated by dry method,and the composite material was made by adding 25%of the filling amount to polypropylene.The oil absorption value,sedimentation volume,thermal stabil-ity,mechanical properties and appearance of the composite were tested before and after modification.The results show that the composite modification effect of polyethylene glycol 300 and sodium dodecyl sulfate is better.The oil absorption value and sedimentation volume of activated sericite are de-creased by 12.7 mL/100 g and 1.9 mL/g respectively,and the thermal stability is better.The mechanical properties of the composite are also better than those of traditional modifiers.The mechanical properties of sericite composite modified by polyethylene glycol 300 and sodium dodecyl sulfate in equal proportion are the best,and the impact strength and bending stress are as high as 40.34 kJ/m2 and 45.81 MPa.The cross section of the composite materi-al is smoother and smoother,which shows that the compound modifier of polyethylene glycol 300 and sodium dodecyl sulfate effectively improves the compatibility between filler and polypropylene.Key words sericite;compound modification;composite materials;mechanical properties;microstructure绢云母是一种黏土，其化学组成和结构与高岭土相似1，具有纳米级层状结构，容易加工成超细颗 粒2。绢云母与金属离子具有较强交换能力，是一类高效重金属离子吸附剂3-4，在环境保护方面倍受关注。绢云母还有美白和防紫外线作用，被广泛应用于化妆品行业5-6。此外，绢云母还具有耐磨、耐热、耐酸碱、电绝缘等性质7-8，是一种新型无机非金属类矿物填料，可大幅度降低生产成本，其优异特性可以提升产品的力学性能9-10，因而被广泛用于涂料、塑料、橡胶、胶黏剂、造纸等领域11-13。绢云母表面亲水疏油，与聚合物的亲和性较 差14-15，在有机介质中难以均匀分散，导致复合材料力学性能下降，必须加入改性剂进行表面处理，改善其在有机体中的分散性16。每种表面改性剂具有自身独特的性质，对不同结构的改性剂进行复配优化，可以充分发挥不同改性剂的优势，起到复配增效的作用17-18，更好地满足个性化、功能化和专业化领域的需求。本试验将十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙二醇 200、聚乙二醇 300 和聚乙二醇 400 进行二组分等比例复配，得到二组分水性表面改性剂。采用干法表面改性绢云母粉体，并以 25%的填充量添加到收稿日期：2023-03-25基金项目：广西重点研发计划（桂科 AB23026128）；广西科技基地和人才专项（桂科 AD23026280）。*通信作者，Tel：[phone]；E-mail：。-7-聚丙烯中制成复合材料。研究改性前后绢云母粉体的表面改性效果、热稳定性及聚丙烯复合材料的力学性能和外观形态，为高性能绢云母聚丙烯复合材料的制备提供理论和实践依据。1 试验部分1.1 原料、试剂及仪器设备 聚乙二醇200（PEG200）、聚乙二醇 300（PEG300）、聚乙二醇 400（PEG400），均为化学纯，上海麦克林生化科技有限公司；液体石蜡，化学纯，广东光华科技股份有限公司；十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基磺酸钠（SLS），均为分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；硬脂酸，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；邻苯二甲酸二辛酯（DOP），分析纯，无锡市亚泰联合化工有限公司；聚丙烯树脂，工业级，中国石油天然气股份有限公司；绢云母粉 1 500 目（10 m），贺州市启佳新材料有限公司。SHR-10A 型高速混合机、XM-160 型密炼机，张家港市通沙塑料机械有限公司；微型注塑机，SZS-20 型，武汉瑞鸣实验仪器有限公司；热重分析仪，N520-0110 型，珀金埃尔默公司；型摆锤冲击仪，INSTRON 3367 型万能材料试验机，美国英斯特朗公司；热变形、维卡软化点温度测定仪，HDT/V-1103 型，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；扫描电子显微镜，JSM-7610F 型，日本电子株式会社。1.2 二组分水性复配表面改性剂制备 将十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基磺酸钠（SLS）、聚乙二醇 200（PEG200）、聚乙二醇 300（PEG300）和聚乙二醇 400（PEG400）进行二组分等比例组合，制成水性复配表面改性剂，记为 CH，采用硬脂酸（B）和未添加任何改性剂的作为对照组。二组分表面改性剂及其复配比例，见表 1。称取二组分复配改性剂 CH，置于试管中，加入 9 mL 蒸馏水，设定恒温水浴锅温度 80，加热溶解备用。表 1 二组分复配水性表面改性剂及其用量编号复配质量比用量/g绢云母/gA不加改性剂-500B单一硬脂酸12.5500Cm(PEG200)m(SDS)=116.256.25500Dm(PEG200)m(SLS)=116.256.25500Em(PEG300)m(SDS)=116.256.25500Fm(PEG300)m(SLS)=116.256.25500Gm(PEG400)m(SDS)=116.256.25500Hm(PEG400)m(SLS)=116.256.255001.3 绢云母表面改性 采用干法工艺对绢云母粉体进行表面改性处理。称量 500 g 绢云母粉体，置于高速混合机中，设置物料温度为 110，加热温度为 115。物料温度上升至 102 时，缓慢滴加上述二组分水性复配改性剂 CH，先低速改性 15 min，再高速改性 15 min，冷却至室温，取出密封备用。硬脂酸对照组按上述方法进行表面改性处理。1.4 绢云母聚丙烯复合材料制备 将二组分复配改性剂 CH 组改性、硬脂酸改性和未改性的绢云母粉体分别按照 25%填充比例添加到聚丙烯中，通过密炼和注塑过程制成两种不同类型的绢云母聚丙烯复合材料标准试样，80 mm10 mm4 mm 长方形状样条 15 根，40 mm5 mm2 mm 哑铃状样条 5 根。1.5 测试与表征 1.5.1 吸油值：称量未改性、硬脂酸改性和二组分复配改性剂 CH 改性的绢云母粉体 5.0 g，按 参考文献 19 测试吸油值。1.5.2 沉降体积：称取 1.0 g 改性前后绢云母粉体置于小量筒中，加入 10 mL 液体石蜡至 10.0 mL 刻度线，用保鲜膜封好开口，上下振荡 3 min 后，静止 3 h，待溶液澄清后，记录量筒下面沉降的体积，按参考文 献 20 计算沉降体积。1.5.3 力学性能：按照 GB/T 1043.1-2008塑料简支梁冲击性能的测定 方法，采用摆锤梁冲击仪测试缺口试样的冲击强度，按照 GB/T 1040.1-2006塑料拉伸性能的测定 和 GB/T 9341-2008塑料弯曲性能的测定 方法，采用万能实验机测试样条的拉伸强度和弯曲应力。每组样品测试 5 次，求平均值。1.5.4 热变形分析：使用热变形、维卡软化点温度测定仪，按照 GB/T 1634.2-2004塑料负荷变形温度的测定 方法测试，设置跨距为 64 mm，应力为 0.45 MPa，升温速率为 120 /h，恒温 30，上限温度为150、介质温度为 110。每组样品测试 5 次，求平均值。1.5.5 热重分析：采用热重分析仪对未改性、硬脂酸改性和二组分复配改性剂 CH 改性的绢云母粉体进行热稳定性测试，从 30 升至 800，升温速率为 20 /min。1.5.6 微观形貌：将绢云母聚丙烯复合材料冲击样条断面进行喷金处理，采用扫描电子显微镜观察微观 形貌。2 结果与讨论2.1 吸油值和沉降体积 改性绢云母粉体吸油值和沉降体积，见表 2。由表 2 可知，经二组分水性复配改性剂 CH 组改性后的绢云母粉体吸油值和沉降体积均小于未改性绢云母粉。D 组改性剂改性粉体的 绢云母表面改性及其复合材料力学性能研究欧 梦，画 莉，万沛涵，等-8-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月吸油值为 27.4 mL/100 g，沉降体积为 2.1 mL/100 g。E组改性剂改性粉体的吸油值为 24.0 mL/100 g，沉降体积为 1.6 mL/100 g，相较未改性绢云母的吸油值和沉降体积分别下降 12.7 mL/100 g 和 1.9 mL/100 g，说明复配效果取决于不同改性剂的性质特点，PEG300 和SDS 等质量复配组合效果最佳。表 2 改性绢云母粉体的吸油值和沉降体积编号吸油值/(mL/100 g)沉降体积/(mL/100 g)A36.73.5B23.21.4C25.21.7D27.42.1E24.01.6F26.42.2G26.11.8H26.92.02.2 热重测试 对硬脂酸和二组分复配改性剂改性前后绢云母粉体进行热重分析，结果见图 1。从图 1可看出，在 30800 范围，未改性绢云母粉体总失重约为 13.99%，564 之前样品失重曲线比较平缓；564 后绢云母粉体失去结构水而发生较大失重。在30800 范围，经硬脂酸和二组分复配改性剂处理的绢云母粉体总失重较大，约为 17.26%，主要是粉体表面包覆或键合有改性剂，受高温碳化失重所致。同样，改性绢云母粉体也是在 554 左右失去结构水，说明改性绢云母具有优良的热稳定性和耐高温性能。图1 改性前后绢云母粉体的热重分析2.3 力学性能测试 采用标准方法对绢云母粉聚丙烯复合材料的冲击强度、弯曲强度和拉伸强度进行测试，结果见表 3。由表 3 可知，未改性绢云母复合材料冲击强度为 16.40 kJ/m2，弯曲强度为 30.85 MPa，力学性能较差。硬脂酸改性复合材料的冲击强度为 18.93 kJ/m2，弯曲强度为 38.61 MPa，经二组分复配改性剂 CG 组处理后的绢云母复合材料的冲击强度介于 21.0440.34 kJ/m2范围，弯曲强度介于 40.1245.81 MPa 范围，力学性能远优于硬脂酸改性绢云母复合材料。不同二组分复配改性剂对复合材料的力学性能影响较大，其中 E 组改性复合材料的力学性能最佳，冲击强度高达 40.34 kJ/m2，弯曲强度为 45.81 MPa；H 改性复合材料的力学性能较差，冲击强度为 23.75 kJ/m2，弯曲强度为 38.01 MPa。综合来看，二组分复配改性剂改性绢云母粉体填充聚丙烯复合材料，能有效提升力学性能。表 3 改性绢云母聚丙烯复合材料的力学性能编号冲击强度/(kJ/m2)弯曲强度/MPa拉伸强度/MPaA16.4030.8528.36B18.9338.6129.99C30.8842.3129.82D21.0441.9528.48E40.3445.8129.42F26.9740.1229.35G25.1440.5329.29H23.7538.0129.972.4 热变形测试 对厚度为 4 mm 的绢云母聚丙烯复合材料样条进行热变形测试，结果见图 2。从 图 2 可 看 出，改 性 复 合 材 料 负 荷 变 形 温 度 均高于未改性复合材料，E 组改性复合材料的负荷变形温度高达 120，比未改性复合材料高 15。二组分复配改性剂改性绢云母与聚丙烯基质具有较好的相容性，能均匀分散在聚丙烯中，发挥出绢云母填充料的尺寸稳定性，使复配改性绢云母聚丙烯复合材料具有优良的耐热变形能力。图2 绢云母聚丙烯复合材料热变形结果2.5 SEM 分析 改性前后绢云母复合材料冲击断口微观形貌照片，见图 3。从图 3a 可看出，未改性绢云母复合材料断口表面凹凸不平，较为粗糙，有明显的颗粒物，说明未改性绢云母在聚丙烯中分散不均匀，导致复合材料性能较差。从图 3b、3c 可看出，改性复150 300 450 600 750 900温度/105100959085质量保留率/%554 564 BA150 300 450 600 750 900温度/105100959085质量保留率/%554 CD150 300 450 600 750 900温度/105100959085质量保留率/%554 EF150 300 450 600 750 900温度/105100959085质量保留率/%554 GH-9-绢云母表面改性及其复合材料力学性能研究欧 梦，画 莉，万沛涵，等合材料断面比较平整，较大颗粒凸起消失，尤其是 E组改性复合材料断面光滑，界面黏合力较好，说明复配改性绢云母在聚丙烯中分散均匀，显著改善了复合材料的韧性和强度。a-未改性；b-硬脂酸改性；c-E组改性剂改性图3 绢云母聚丙烯复合材料断面SEM图3 结论1.采用十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、聚乙二醇 200、聚乙二醇 300 和聚乙二醇 400 进行等质量二组分复配，对绢云母进行表面改性处理，并以 25%填充量添加到聚丙烯中制备复合材料。2.与未改性绢云母相比，PEG300 和 SDS 复配改性效果最优，改性绢云母的吸油值和沉降体积分别下降 12.7 mL/100 g 和 1.9 mL/g。复配改性剂有效改善了填料与聚丙烯之间的相容性，提升了复合材料的力学性能和热稳定性。参考文献：1 LI H Q,FENG Q M,YANG S Y,et al.The entrainment be haviour of sericite in microcrystalline graphite flotationJ.International Journal of Mineral Processing,2014,10(3):1271-1279.2 CAI L L,DOU Q.Investigation on the melting and crystallization behav-iors,mechanical properties and morphologies of polypropylene/sericite compositesJ.Journal of Materials Science,2019,54(4):3600-3618.3 KIM J O,LEE S M,JEON C.Adsorption characteristics of sericite for cesium ions from an aqueous 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