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绢云母质无机紫外屏蔽剂在聚丙烯材料中的应用研究

浏览次数: 日期:2007年10月27日

    王家俊,柴修安,刘立丰,郭进松,高庆忠

    滁州格锐矿业有限责任公司,安徽 滁州239057

    摘 要:绢云母具有优越的紫外屏蔽性能和独特的高径厚比二维片状结构,采用高纯高径厚比绢云母材料改性聚丙烯材料,可极大提高复合材料的耐光老化性能,同时可改善复合材料的综合机械性能,具有较高的实用价值。关 键 词:绢云母 改性 紫外屏蔽 力学性能

    Application of sericite-based inorganic UV-screening agent in Polypropylene

    Wang Jia-jun, Chai Xiu-an, Liu Li-feng, Guo Jin-song, Gao Qing-zhong

    (Chuzhou Grea Minerals Co.,Ltd. Chuzhou, Anhui 239057)

    Abstract: Sericite provides with excellent ultraviolet resistant performance and two dimensional flake structure with high radius-thickness Ratio, introducing high purity and high radius-thickness ratio sericite to modify Polypropylene (PP) can improve its resistance to photoaging, reinforce the mechanical property of the composite, Enhance the performance of the PP composite and reduce the cost simultaneity, the PP composite possess more practical value.

    Key words: sericite ; modify ; ultraviolet screen ; mechanical property

    聚丙烯(PP)具有优良的机械性能,无毒、耐热以及易加工成型等特点,是近年来五大通用合成树脂中产品开发最活跃的品种,已被广泛应用于化工、电器、汽车、建筑、包装等行业,并正在向汽车和其他应用中的金属和工程塑料应用领域扩展[1] -[2]。但聚丙烯易发生光老化,使其应用范围受到一定限制,需要对其进行改性,提高耐光老化性能[3]。

    高纯高径厚比绢云母紫外线吸收率可达90%以上,可较大改善聚丙烯的耐光老化和综合机械性能,绢云母/聚丙烯复合材料已在国外汽车零部件、家用电器、纺织等领域得到应用[4]—[6]。国内由于绢云母的加工水平落后,高径厚比结构在超细过程中遭到破坏,产品纯度也偏低,造成绢云母在塑料中的应用研究不足。滁州格锐矿业有限责任公司的绢云母质无机紫外屏蔽剂产品,采用药剂插层和微波振荡相结合的技术对绢云母进行深加工,绢云母纯度达到95%以上,径厚比90左右,紫外线吸收率90%以上。本实验以该产品改性聚丙烯,并对复合材料及其紫外光加速老化后的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等进行了检测和比较,验证了绢云母对聚丙烯耐光老化性能和综合机械性能的改善作用。

    1、试验部分

    1.1 原材料及助剂

    绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1,含量>95%,滁州格锐矿业有限责任公司;

    聚丙烯045-1,金普集团南京化工厂;

    2500目超细滑石粉,滁州格锐矿业有限责任公司;

    2500目重质碳酸钙,滁州格锐矿业有限责任公司;

    2500目轻质碳酸钙,滁州格锐矿业有限责任公司;

    2500目超细煅烧高岭土,滁州格锐矿业有限责任公司;

    2500目超细重晶石,滁州格锐矿业有限责任公司;

    硅烷偶联剂KH550,南京翔飞化工厂;

    白油(工业品),市售。

    1.2 实验仪器、设备

    双螺杆挤出机,TE20,南京科亚公司;

    注塑机,CJ80M3V,浙江震达塑料机械公司;

    电子万能实验机,CMT6104,深圳市新三思公司;

    悬臂梁缺口冲击试验机,DCJ-500,河北承德仪表机床厂;

    老化箱,Q-SUN 3100,美国Q-PANEL 公司;

    高速混合机,自制。

    1.3 试样制备

    1.3.1样条制备:称取定量的份体在105-115℃烘干2小时,然后和定量的偶联剂和白油,在高速混合机中混合十分钟。将PP放入高速混合机中混合。控制挤出机各段温度,在一定的螺杆转速下进行混合挤出造粒,粒料在105-115℃烘干2小时,在注塑机中注塑成样条,有关尺寸按国标进行[7]。

    1.3.2 样条的老化:氙灯紫外能谱与太阳极近似[8],本实验采用美国Q-SUN氙灯模拟太阳强制光老化,箱体内环境温度63℃,340nm光强度设置为0.68W/m2 ,老化时间分别是100h,200h,300h,400h 。样条以单面辐射的形式放置。

    1.3.3 材料性能测试:按有关国标进行材料拉伸强度(GB/T 1040-92)、弯曲强度(GB/T 9341-2000)和缺口冲击强度(GB/T 1843-1996)测试。

    2、 研究结果及讨论

    2.1 耐光老化性能

    2.1.1 GC-1对PP老化拉伸强度的影响

    图1表明了绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1及其含量对填充PP复合材料拉伸强度的影响。从图1结果可以看出,随着紫外光加速老化时间的延长,未添加无机紫外屏蔽剂的纯PP 拉伸强度急剧下降,紫外光加速老化400小时后,拉伸强度已从初始的34.7 MPa剧减到15.3 MPa,保留率不足50%,说明紫外线对纯PP 材料的拉伸性能破坏性极大;而添加绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1后,不但PP 复合体系初始拉伸强度得到极大提高,而且紫外光加速老化400小时后拉伸强度仍然得到良好的保持,其中20%添加量的复合材料400小时老化拉伸强度保留率达到70%,接近纯PP 未经老化时的拉伸强度。拉伸强度在老化后仍有着极高的保留率,证明了绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1在聚丙烯体系中起到了优越的耐光老化性能,可有效预防聚丙烯的光老化。

    而随着绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1添加量的增加,PP复合材料拉伸强度初始拉伸强度和紫外光加速老化后拉伸强度也随之增加,但增加到20%后,初始拉伸强度和紫外光加速老化后拉伸强度不再明显增加,甚至略有下降。

2.1.2 GC-1对PP老化弯曲强度的影响

    图2表明了绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1及其含量对填充PP复合材料弯曲强度的影响。从图2结果可以看出,随着紫外光加速老化时间的延长,未添加无机紫外屏蔽剂的纯PP弯曲强度逐渐下降,400小时老化弯曲强度保留率79%,而添加无机紫外屏蔽剂后,PP材料的初始弯曲强度和老化后弯曲强度均得到明显的改善,20%添加量的复合材料400小时老化弯曲强度保留率达到90%,超过纯PP初始弯曲强度,耐光老化作用明显。其中从图2还可以看出,紫外光加速老化100h后,材料的弯曲强度与老化前基本相同或有所增加,可能由于在紫外光的促进下,增加了聚丙烯的结晶度而引起的。紫外光加速老化200h后,随着聚丙烯老化程度的逐渐变大,材料的弯曲强度逐渐随着老化时间的延长而降低。特别是无机紫外屏蔽剂用量在20—30%之间时,在老化前200小时弯曲强度基本不变,有着极高的保留率。

    2.1.3 GC-1对PP冲击强度的影响

    图3表明了绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1及其含量对填充PP复合材料冲击强度的影响。从图3结果可以看出,随着紫外光加速老化时间的延长和添加量的变化,冲击强度的变化趋势与拉伸和弯曲性能试验结果一致,添加绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1后老化冲击强度得到显著改善,且均是达到20% 后,冲击强度不再明显增加或有所下降。其中添加20%GC-1的PP复合体系400小时老化后,冲击强度值和保留率均超过纯PP 的一倍,耐老化作用表现更加明显。

    2.2 力学性能不同填料对PP力学性能的影响

    为了了解绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1作为增强助剂对PP复合材料力学性能的影响,本实验选用了多种填料和GC-1进行了比较,填料的选择原则是选用市场上常用非矿粉体和粒度较细的品种,添加量 20%,采用定量硅烷偶联剂和白油作改性处理。从表1结果可以看出:与其它填料相比,绢云母质无机紫外屏蔽剂 GC-1综合力学性能明显优越,即使与同为片状结构但径厚比较小的滑石粉相比,力学性能也明显优越。从GC-1的电镜照片可以看出,绢云母片厚相比径向尺寸极小,接近纳米级,具有极高的径厚比,避免了普通云母类产品增强效果明显而冲击强度等韧性指标严重下降的缺点。从以上结果可以看出,绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1是一种典型的二维增强材料,可极大改善PP复合材料的综合力学性能。

    3、结论

    1、绢云母质无机紫外屏蔽剂 GC-1产品可明显改善PP材料的耐老化性能,复合材料老化后机械强度保留率得到明显提高,其中冲击强度保留率提高一倍以上,是PP材料的高效光稳定剂。

    2、绢云母质无机紫外屏蔽剂 GC-1产品在提供耐光老化性能的同时,可改善PP材料的综合机械性能,增强增韧性能大大超过碳酸钙、滑石粉等常规粉体。

    3、绢云母质无机紫外屏蔽剂GC-1产品在PP复合材料中最佳添加比例为20%。

    参考文献

    [1] 郑宁来.聚丙烯成核剂的发展.2005塑料助剂生产与应用技术信息交流会论文集,50-57

    [2] 田江波 我国光稳定剂市场现状. 2005塑料助剂生产与应用技术信息交流会论文集,37-38

    [3] 刘英俊 聚丙烯塑料改性应用进展.工程塑料应用,1995(5),49-54

    [4] 吕化奇,王新春.绢云母对外墙涂料耐候性能贡献的探讨.南方涂饰,2004(4),32~34

    [5] 沈发奎.复合材料的界面工程研究现状与绢云母矿物填料的应用前景.安徽地质科技,1997(2),17~21

    [6] 韩秀山.湿法云母粉的应用.中国粉体工业,2007(2),12-17

    [7] 王庭蔚,张军,邵英光.云母在尼龙6中的增强作用.中国塑料,2002(8):40~43

    [8] 胡行俊.合成材料光加速实验与人工光源的关系. 2005塑料助剂生产与应用技术信息交流会论文集,283-286

所属类别 技术论文