硅灰石/聚丙烯复合材料的制备及界面机理研究

【摘要】： 硅灰石是一种资源丰富的重要天然非金属矿物原料。近几年来，硅灰石对高分子材料的增强增韧研究已成为材料科学研究的热点课题。本文选择硅灰石／聚丙烯复合材料的制备及界面机理研究这一当前材料领域的热点和前沿性课题进行研究。在大量实验的基础上，应用多学科的相关理论及现代测试技术对硅灰石粉的制备、表面改性方法及工艺、改性效果评价、改性硅灰石与聚丙烯复合材料的制备、界面微观形貌及其界面机理等进行了全面系统的分析研究，取得了较为满意的研究成果和一些新的认识。特别是采用粉碎前对硅灰石煅烧空冷处理的方式，获得了超细化程度更高、长径比更大的硅灰石；利用机械力化学改性及超音速气流粉碎技术，使硅灰石粉碎—改性同时完成；应用现代测试手段，结合实验对界面微观形貌、结构及其机理进行研究，进一步解释与论证了复合材料的宏观力学性能，为改善复合材料的综合性能提供了理论基础。这些方面的研究在同类研究中具有一定的创新性。 本研究结论如下： 1．硅灰石微粉碎过程中，为保护硅灰石的短纤维针状结构，可在粉碎前对硅灰石进行煅烧空冷处理。气流磨机械力化学方式改性硅灰石优于搅拌机高速搅拌方式改性硅灰石。 2．硬脂酸改性剂对硅灰石的改性效果优于铝酸酯和硅烷。硬脂酸改性硅灰石的最佳用量为硅灰石质量百分比含量的2％。 3．硅灰石／PP复合材料的机械力学性能表明： (1)经过机械力化学改性处理的硅灰石添加到PP中，可明显改善PP的力学性能。与纯PP相比，复合体系的拉伸强度提高了8.1％，弯曲强度提高了3.6％，缺口冲击强度提高了86.4％，断裂伸长率提高了13.1％。 (2)硅灰石粒径对复合材料性能的影响实验表明，随着硅灰石粒径的减小，其机械性能呈现先上伸后下降的趋势。 (3)硅灰石含量对复合材料性能的影响实验表明，硅灰石在PP中的最佳含量为30％，随着硅灰石含量的继续增加，其机械力学性能随之下降。 (4)与其它PP填充矿物相比，硅灰石填充复合体系的综合力学性能优于碳酸钙和滑石的填充体系，并可与石棉、玻璃纤维的填充体系相媲美。 4．硅灰石增强复合材料的界面浸润性测量实验进一步表明，在硅灰石／PP的复合体系中，改性硅灰石与PP基体的界面结合强度高于未改性硅灰石；硬脂酸改性硅灰石与PP基体的界面结合强度高于铝酸酯改性灰石；粒度为2号样的改性硅灰石与PP基体的界面结合强度高于1和3号改性硅灰石。 5．应用扫描电子显微镜对改性硅灰石在聚丙烯中的分散性及其与聚丙烯的界面结合性进行了观察和研究。结果显示，硬脂酸改性硅灰石在聚丙烯中的分散性及其与聚丙烯的界面结合性得到了明显提高。 6.界面机理的初步研究表明，界面反应性、界面残余应力、纤维粗细度及增强体与基 质之间的浸润性等是影响界面粘合强度的因素。在提高界面粘合强度的同时，需引入适当界 面层，协调平衡复合材料层间剪切强度和抗冲击韧性。