矿物粉体表面纳米化修饰技术研究与应用

【摘要】：矿物粉体由于价格低廉，能够改善基体材料的性能，而在塑料、橡胶、造纸、涂布及涂料等行业得到广泛应用。但是由于矿物晶体粉碎过程中表现出沿解理面解理破裂的强烈倾向，使得矿物粉体表面具有平整的解理面及尖锐的棱角。平整的解理面使得矿物粉体和基体结合力差，尖锐的棱角又是材料破坏过程中的应力集中点，易引发裂纹造成材料的失效，影响了矿物粉体作用的更好发挥。因此如何对矿物粉体表面进行形貌修饰，制备高附加值、高科技含量的矿物粉体，是粉体材料工程领域研究的难点。为此，本论文进行针对性的首创研究： 采用化学方法对矿物粉体进行表面修饰，制备出具有表面纳米结构的复合矿物粉体。研究中采用的矿物粉体为重质碳酸钙、硅灰石、白云石，将这些矿物粉体加入到 体系中，通过 和 反应生成纳米碳酸钙颗粒在矿物粉体表面形核生长而得到复合矿物粉体。矿物粉体表面形貌在经过表面纳米化修饰后得到明显改善，平整的解理面为纳米颗粒层所包覆变得粗糙，尖锐的棱角被颗粒包覆层所钝化。电镜观察表明复合矿物粉体表面包覆层颗粒粒径达到纳米级，XRD分析表面表面包覆层结构为方解石型碳酸钙。 工艺实验研究发现，工艺参数如矿物粉体填加量、氢氧化钙浓度、搅拌混合强度等对复合矿物粉体表面纳米化修饰结果有明显影响。只有在合适的工艺参数条件下，如较大的矿物粉体填加量、高的氢氧化钙浓度、强的搅拌强度，才能得到具有纳米结构表面的复合矿物粉体，实验中复合矿物粉体表面包覆层颗粒粒径约为50~100nm左右。透射电镜观察发现，复合矿物粉体表面包覆层厚度在50~200nm左右，视不同体系、不同反应条件而有所差别。采用超声波、搅拌球磨方法检验了复合矿物粉体表面包覆层颗粒与基体间的结合强度，发现表面包覆层和基体结合紧密，大功率的超声振荡处理后的复合矿物粉体表面包覆层依然未见明显脱落，表明表面颗粒层和基体长为一体，通过理论分析证明联结状态为化学键合。复合矿物粉体具有大的比表面积，相对矿物原始粉体要提 WP=4 高100~500%不等。复合矿物粉体还具有高的白度、粘度等特性，为矿物粉体的应用拓展了领域。通过对表面纳米化修饰过程中矿物粉体表面形貌、表面结构、体系温度、体系 值等检测，分析提出矿物粉体表面纳米化修饰过程是体系中非均匀形核和均匀形核两种机制同时存在、共同作用的过程。 将经过表面纳米化修饰的复合重质碳酸钙粉体、复合硅灰石粉体作为粉体填料填加到PP塑料基体中，制备得到PP复合材料。对PP复合材料进行力学性能测试、断口形貌观察、XRD结构分析、DSC热分析等分析。试验结果表明，复合矿物粉体对PP复合材料的力学性能有较大的改善作用，表现出良好的增韧效果。如当复合重质碳酸钙粉体填加5~10%时，PP复合材料的断裂伸长率比基体PP还要高，甚至出现拉不断现象，填加量达到20%时仍和基体持平。当填充量为30%，复合硅灰石粉体填加的PP复合材料的冲击性能要高出硅灰石矿物粉体填加的PP复合材料的30%以上。断口形貌观察显示，复合矿物粉体由于具有表面纳米结构，其和PP聚合物基体结合紧密，结合性能要优于未经表面修饰的矿物粉体。复合硅灰石矿物粉体的加入使PP复合材料的结晶温度向高温方向发生较大的移动，当填加量为15%时，复合硅灰石粉体的作用要比硅灰石矿物粉体明显。表面纳米化修饰的复合矿物粉体对聚合物复合材料力学性能的改善主要基于以下几种机理的综合作用：粉体填料与基体间界面结合强度明显增强；小范围形变更容易发生，且大的形变要吸收更多能量；影响聚合物复合材料的结晶过程，使得聚合物复合材料中晶粒尺寸明显变小；大量小裂纹产生，且小裂纹扩展过程将发生变向。 复合矿物粉体因其综合微米级颗粒和纳米级颗粒的长处，在塑料、橡胶及涂料等领域具有良好的应用前景和市场开发价值。在实验室研究阶段研究的基础上，成功完成了中试阶段实验研究，为矿物粉体表面纳米化技术的工业推广奠定了基础，目前和辽宁方面的工业化开发合作已经启动。并于2003年7月，“矿物粉体表面纳米化修饰技术”通过教育部组织的技术鉴定（鉴字[教SW2003]第025号），鉴定意见为：国际先进水平。