超细普洱滑石粉的粒径对于普洱滑石粉/聚丙烯复合材料力学性能及加工性能的影响

邓祥辉，符显达，于祥民

（普洱辽宁鑫达滑石集团，辽宁海城114200）

摘要：使用了相同矿石原料粉碎成不同粒径的滑石粉填充聚丙烯，经过混合、挤出造粒、注塑，制成分散均匀的滑石粉/聚丙烯复合材料，测试了滑石粉的粒径以及复合材料的力学性能和加工性能，探讨了滑石粉粒径对于复合材料力学性能和加工性能影响的机理。结果表明：相同条件下，滑石粉碎的越细，粒径越小，滑石粉/聚丙烯复合材料的刚性和韧性同时增强，收缩率减小，熔融指数减小。

关键词：聚丙烯超细滑石粉复合材料力学性能加工性能

前言

滑石是一种含水的层状硅酸盐矿物，其化学式为3MgO•4SiO₂•H₂O。滑石是典型的非极性2:1型的层状构造硅酸盐矿物。在滑石的晶体结构中，硅氧四面体连结成层，形成连续的六方网状层，活性氧朝向一边，每6个网状层的活性氧相向，通过 1层“氢氧镁石”层而连结，构成双层。层与层之间靠弱的范德华力连接。因此，滑石的化学稳定性良好，耐强酸及强碱，还具有良好的电绝缘性能和耐热性。由于滑石的易解离，硬度小，亲油疏水性，其同时具有良好的加工性能性^[1-2]。

滑石作为功能性填料主要用于聚丙稀改性，生产汽车工业和家电业的塑料。也有少量滑石用于聚苯乙烯、尼龙、聚乙烯和PVC。聚丙烯具有优良的耐腐蚀性、电绝缘性和良好的力学性能等，是一种综合性能优良的通用高分子材料。但聚丙烯也存在一些不足，其缺点是耐寒性差、抗冲性能差、抗蠕变性能差、成型收缩率大、易发生翘曲变形、热变形温度低等缺点。滑石作为填料不但能节省树脂的使用量，还能显著地提高产品物理性能和加工性能，起到增强作用，弥补其缺点。足够细度的滑石粉，可显著提高产品的刚度、冲击强度、抗蠕变性、硬度、抗表面划伤、耐热性和提高热变形温度。同时可以显著降低其成型收缩率，提高结晶速度、结晶温度。对于应用于汽车和家电的聚丙稀塑料改性，滑石的性价比是其他任何非金属矿材料所无法比拟的^[3-5]。

本文采用了不同粒径的滑石粉填充聚丙烯，在相同原料矿石和树脂，相同加工工艺，做到分散均匀的条件下，制备复合材料。通过复合材料力学性能、加工性能测试，研究了滑石粉粒径对滑石粉聚丙烯复合材料的性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯（PP），T30S，独山子石化公司；滑石粉（Talc），普洱辽宁鑫达滑石集团；硬脂酸钙，BS3818，华明泰化工股份有限公司。

1.2 主要设备

试验机，UTM-1423，承德市金建检测仪器有限公司；简支梁冲击试验机，XJJ-5，承德市金建检测仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机，XJU-5.5，承德市金建检测仪器有限公司；熔体流动速率仪，XRL-400，承德市精密试验机有限公司；双螺杆挤出机，LNSD-51，江苏鸿云翔橡塑机械有限公司；塑料注塑成型机，SA900II/260，海天塑机集团有限公司；高速混合器，GRN-20，阜新鑫克机械制造有限公司；熔体流动速率仪，MFI-1221，承德市金建检测仪器有限公司；激光颗粒分布测量仪，GSL-101BI，辽宁仪表研究所责任有限公司。

1.3 工艺流程与测试方法

将滑石粉、树脂、硬脂酸钙按20:79:1比例，使用高速混合器混合均匀，再用双螺杆挤出机造粒、烘干，利用注塑机和模具进行注塑成型，得到标准尺寸的试验样条。样条在恒温恒湿箱中保存24小时后进行测试。注塑过程采用多级注射成型控制工艺，主要工艺参数：塑化温度，200℃；螺杆转速，50r·min^-1；注射压力，45%；注射时间，前30%，中50%，后30%；保压压力，30%；保压时间，8s；冷却时间，10s。

样条制作标准：GBT 17037.1-2019塑料热塑性塑料材料注塑试样的制备第1部分：一般原理及多用途试样和长条形试样的制备

试验中测试标准为：GB/T 1040-2006塑料拉伸性能的测定；GB/T 1043.1-2008简支梁冲击性能的测定；GB/T 1843-2008悬臂梁冲击强度的测定；GB/T 9341-2008塑料弯曲性能的测定；GB/T 17037. 4-2003热塑性塑料材料注塑试样的制备第4部分:模塑收缩率的测定；GB/T 3682.1-2018热塑性塑料熔体质量流动速率(MFR)和熔体体积流动速率(MVR)的测定。

2 结果与讨论

2.1 滑石粉粒径对于滑石粉/聚丙烯复合材料力学性能的影响

表1不同粒径滑石粉填充聚丙烯复合材料的力学性能

由于采用相同的矿物原料，相同的设备工艺，做到了排除其他因素的干扰。并且经过混合、造粒、注塑等多道工艺，做到滑石粉填充聚丙烯均匀分散，排除了由于粉体颗粒尺寸小而可能造成团聚，影响复合材料的性能的因素。

不同粒径滑石粉填充聚丙烯复合材料的各项力学性能如表1所示，可以看出，在滑石粉粒径位于10μm-4μm的范围内，滑石粉粒径越小，其复合材料的弯曲强度、弯曲模量、拉伸强度越大，刚性越好。主要由于相同填充量下，粒径越小，比表面积越大，滑石粉与树脂界面的相互作用越强，抗变形能力就越强。因此，冲击强度，弯曲强度，拉伸强度就越大。从表1中还可以看出，滑石粉粒径越小，复合材料的冲击强度，断裂伸长率越大。一般来说，无机刚性粒子填充树脂复合材料，刚性越好，韧性往往越差，然而滑石粉填充聚丙烯复合材料，粒径越小，其刚性和韧性同时提高。其韧性提高原因可能有两方面，一方面，滑石粉粒径越小，滑石粉粒子越容易移动。另一方面，由于滑石粉的片状结构和其表面的活性点较少，树脂与滑石粉粒子之间易产生的空隙。滑石粉粒径越小，比表面积越大，空隙越多，分子链和滑石粉粒子更容易移动，可以吸收更多的能量，所以断裂伸长率和冲击强度就越大。表1中，简支梁冲击强度变化较小，悬臂梁冲击强度变化较大，这只是由于测量方法的不同造成的区别，对结论没有影响。所以，粒径越小，刚性和韧性越好^[6-8]。

2.2 滑石粉粒径对于滑石粉/聚丙烯复合材料加工性能的影响

表2不同粒径滑石粉填充聚丙烯复合材料的加工性能

不同粒径滑石粉填充聚丙烯复合材料的收缩率和熔融指数如表2所示，可以看出，滑石粉粒径越小，复合材料的收缩率越小。聚丙烯复合材料的收缩是由于聚丙烯在冷却时塑料要结晶，从而造成收缩。滑石粉粒径越小，比表面积越大，相同含量与滑石粉表面接触越多，相较于粒径较大的滑石粉，粒径较小滑石粉可以有效阻止塑料材料的应力收缩，降低收缩率。另一方面，滑石粉填充聚丙烯中，可以起到异相成核的作用，促进形成细而小的球晶，阻止较大的球晶产生，从而降低收缩率和后收缩。粒径越小，比表面积越大，异相成核作用越好。

从表2中还可以看出，滑石粉粒径越小，复合材料的熔指越小。粘流态的树脂中滑石粉的粒径越小，颗粒越多，比表面积越大，与分子链运动的相互阻碍作用越强，熔指就越小。

3 结论

⑴超细滑石粉填充聚丙烯复合材料，滑石粉粒径越小，冲击强度，弯曲强度，拉伸强度，断裂伸长率越大，刚性与韧性越好。

⑵超细滑石粉填充聚丙烯复合材料，滑石粉粒径越小，复合材料收缩率越小，熔指越小。

参考文献

[1] 戴修本．中国滑石资源现状及未来趋势[J]．中国滑石工业专刊，2004，(4)：12—14．

[2] 卢烁十．滑石的晶体化学研究及其在有色金属硫化矿选矿中的浮选现状和实践[J]．矿冶，2010，(3) : 8-11．

[3]杨华明，等．改性滑石粉增强增韧聚丙烯的研究[J]．中国滑石工业专刊，2004，(2)：24—26．

[4] 李彩林，郭少云，陈跃.高抗冲聚丙烯复合材料的研究[J].工程塑料应用，2006，34(9)：15-19.

[5] 项素云，田春香，李慧玲，齐颖，贾岫庄．滑石粉在填充改性聚丙烯塑料中的应用与展望[J]．中国非金属矿工业导刊，2015，06：13一16．

[6]丁运生，狄宏伟，王僧山.滑石粉/聚丙烯复合材料结晶度与相间形态对其力学性能的影响[J]．高分子材料科学与工程，2005，21(5)：90-93.

[7] 郭甜甜，丁雪佳，张雨，等.滑石粉对聚丙烯微观形态和性能影响[J].中国塑料，2011，25(12)：21-25.

[8] 张良均，等．界面改性剂对PP/滑石粉形态结构和性能影响[J]．现代塑料加工应用，2004，(6)：34～36．