硅灰石改性及填充工程塑料ABS的研究
(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070)
硅灰石粉体的表面改性效果和填充ABS塑料的力学性能研究表明，不同的改性剂、改性剂用量和改性时间对硅灰石的改性效果有重要影响。γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷改性硅灰石填充工程塑料ABS，提高了复合材料的刚性和熔体流动性，虽然其他力学性能略有下降，但不影响其在工程中的应用。同时降低了ABS塑料的成本。当填充量为20%时，成本可降低15% [1 ~ 6]。
硅灰石；修改；填充；ABS .
第一作者简介:张凌燕，湖北省武汉理工大学资源与环境工程学院副教授。主要研究方向为非金属矿物材料及其应用。联系电话:027-87882128。
硅灰石属于链状偏硅酸，化学分子式为CaSiO3。粉碎后，颗粒呈纤维状或针状。硅灰石无毒，吸油量低，吸水率低，热稳定性和化学稳定性好，白度高，具有独特的粉末纤维，用途广泛。改性硅灰石粉由于其改善的表面性质，提高了其疏水和亲油能力。应用于塑料、橡胶基体材料时，能更均匀地分散，与基体材料亲和力强，能提高塑料、橡胶制品的力学性能和耐老化性能。工程塑料是指可用作结构材料的塑料，能在较宽的温度范围内和较长时间内保持优异的性能，能承受较高的机械应力，能在恶劣的化学和物理环境中长期使用[1]。但是，与通用塑料相比，工程塑料由于价格昂贵，使用受到限制。本实验对硅灰石进行了表面改性，分析了改性条件对改性效果的影响，并研究了改性硅灰石填充ABS的性能。
一.实验
(一)主要原材料、设备和仪器
树脂基材为ABS(丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物)，中国石油吉林石化公司；硅灰石微粉，原矿来自青海都兰县海斯，硅灰石矿物含量90%以上，Cao 41.74%；SiO251.25%，d90 13.81μm，长宽比11，白度80；硅烷偶联剂，γ-氨丙基三乙氧基硅烷(WD-50)，γ-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲基硅烷(WD-60)，γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(WD-70)，武汉大学硅新材料有限公司。改性助剂氨水(分析纯)，市售；塑料添加剂包括增塑剂(DEP)、抗氧化剂(1010)、分散剂(石蜡)和润滑剂(硬脂酸钙)。
GH-1型实验室用高速捏合机，北京英特塑料机械总厂；南京橡塑机械厂SJSH-30双螺杆复合挤出机；冷造粒机，LQ-100，南京橡塑机械厂；注塑机，CJ50E-2，振德塑机厂；静态水滴接触角测量仪，JC2000A，上海陈中数码科技设备有限公司；扫描电子显微镜，日本JEOL公司；电子拉力试验机，RGD-5，深圳瑞格尔仪器有限公司；无锡市计量科学研究院巴雷特硬度计，HBa-1；深圳市新三思材料测试有限公司ZRZ-40型熔体流动速率仪..
(2)硅灰石微粉的表面改性
由于硅灰石粉亲水疏油，与ABS的相容性差。为了改善其与ABS的相容性，必须对其进行表面改性，以提高其在聚合物体系中的分散性。采用GH-10DY高速捏合机进行表面改性，搅拌速度为1250 r/min，氨水用量为1%，氨水与蒸馏水以2∶1的比例稀释。修改流程如图1 [2，5]所示。
图1硅灰石微粉的表面改性过程
(3)修改效果测试
1.润湿接触角
用静态滴接触角测量仪测量改性硅灰石粉的湿接触角，测试溶液为水。
2.活化指数
将一定量的改性硅灰石微粉加入烧杯中，加入蒸馏水，剧烈搅拌，静置分层，然后分别取出浮物M1和沉物M2，干燥后称重，活化率为M1/(M1+m2)。
(4)ABS-硅灰石复合材料的制备
一次样品总量为600g；塑料添加剂的用量为:DEP 2%，抗氧剂1010 0.5%，石蜡0.5%，硬脂酸钙0.2%。挤压造粒工艺参数:挤压温度170 ~ 185℃，螺杆转速140 ~ 160 r/min。注射成型工艺参数:温度190 ~ 220℃，注射时间6s，保压时间14s。ABS硅灰石复合材料的制备工艺[3，5]:(改性硅灰石微粉、ABS和添加剂)→混合→挤出复合→造粒→注射成型→后处理→性能测试。
(五)复合材料性能的测试方法
拉伸性能，GB/T 1040—1992；弯曲性能，GB 9341-88；冲击性能，GB/T 1843—80(89)；巴斯德硬度，GB/T 9342—1988；熔体流动速率，GB 3682-83。
二、测试结果及讨论
(一)不同改性工艺条件对改性效果的影响
1.不同改性剂的效果
采用相同的改性剂用量1%，相同的改性条件(改性温度120℃，改性时间20 min)，用WD-50、WD-60和WD-70作为改性剂对硅灰石微粉进行改性，结果见表1。从表1可以看出，WD-70的改性效果优于其他两种。
表1不同硅烷改性剂对硅灰石微粉的改性效果
2.不同改性剂用量的影响
以WD-70为改性剂，改性温度为65438±020℃，改性时间为20 min。用不同量的改性剂进行对比试验，结果如图2所示。从图2可以看出，润湿接触角和活化指数随着改性剂用量的增加而增加，当改性剂用量大于1%时，增加趋势减缓。综合经济因素考虑，改性剂用量应控制在65438±0%左右。
3.修改时间的影响
以WD-70为改性剂，改性剂用量为1%，改性温度为120℃。在不同的修改时间进行对比测试，结果如图3所示。从图3可以看出，润湿接触角和活化指数随着修饰时间的延长而增大。当改性时间大于20 min时，增加趋势减缓，改性效果并没有随着时间的延长而明显增加。因此，合适的改性时间应为20 min。
图2改性剂用量与改性效果的关系
图3改性时间与改性效果的关系
(2)硅灰石填充量对复合材料性能的影响
从图4a可以看出，随着硅灰石填充量的增加，复合材料的拉伸强度先增大后减小，当硅灰石填充量为20%时达到峰值。结果表明，20%是硅灰石填充ABS拉伸强度的临界值。如果超过这个量，硅灰石粉在ABS树脂连续相中的分散性变差，硅灰石与树脂基体的界面粘结变差，容易造成界面脱粘。但填充20% ABS的复合材料拉伸强度仍低于纯ABS，但降幅仅为13.2%，明显高于国标GB 12672-90对ABS树脂的最低要求(27MPa)。从图4a中还可以看出，复合材料的抗弯强度随着硅灰石含量的增加而降低，但其最小值也高于上述国家标准的最低要求(47MPa)。
硅灰石含量对复合材料性能的影响。
从图4b可以看出，复合材料的缺口冲击强度随着硅灰石含量的增加而降低，而其硬度随着硅灰石含量的增加而增加，达到纯ABS的2.7倍。这说明硅灰石的加入使复合材料的韧性变差，而刚性却增强了。
从图4 c可以看出，复合材料的熔体流动速率随着硅灰石填充量的增加而增加，最高可达到纯ABS的1.75倍，说明硅灰石的加入改善了复合材料的流动性。
(3)复合材料拉伸截面的微观结构分析
从图5中可以看出，随着硅灰石含量的增加，硅灰石颗粒在ABS基体中的分散性变差，容易团聚，使得复合材料在微观上呈现不均匀性。同时，在拉伸断面上也可以看到硅灰石颗粒被不同程度拉出的现象。从图5 c中可以清楚地看到，有大的硅灰石颗粒被拉出的痕迹。这说明硅灰石颗粒与ABS基体的粘附性不好，受到外力时容易脱粘，导致复合材料力学性能下降。相比较而言，图5b中两相界面模糊，拉出的硅灰石颗粒较少。表明硅灰石颗粒与ABS基体结合良好，力学性能相对较好，这与上一节(2)的分析结果一致。
图5复合材料拉伸截面的SEM图像
硅灰石填充量:A-10%；b—20%；c—40%
三。结论
1)表明，γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(WD-70)的改性效果优于γ-氨丙基三乙氧基硅烷(WD-50)和γ-(2，3-环氧丙氧基)丙基三甲基硅烷(WD-60)。在温度120℃、WD-70 1%用量、时间20 min的条件下，硅灰石的改性效果较好。
2)硅灰石填充ABS的力学性能研究结果表明，改性硅灰石的加入增强了复合材料的刚性和熔体流动性，而其他力学性能有所降低，但不影响其在工程中的应用，并能降低成本。从测试结果来看，硅灰石的适宜填充量为20%，该填充量的复合材料成本比纯ABS低15%。同时，硅灰石作为工程塑料的填料，与其他填料相比有自己的优势:与轻钙、滑石粉相比，硅灰石填充体系粘度低，可高填充，有利于节约树脂，降低成本；与碳酸钙相比，硅灰石填充体系耐化学腐蚀性好，增塑剂吸收量小，制品表面光洁度好。与玻璃纤维相比，具有更大的价格优势；硫酸钙、滑石粉、白炭黑等。，一般含有结晶水，受热有脱水问题，而硅灰石热稳定性好。因此，硅灰石是工程塑料的良好填料。
参考
[1]杨世英，陈栋传。包晶工程塑料手册[M]。北京:中国纺织出版社，1994。
郑水林。粉末表面改性[M].北京:建筑材料工业出版社，1995
、刘、。塑料填充改性[M]。北京:中国轻工业出版社，1998。
文·。复合材料原理[M]。武汉:武汉理工大学出版社，1998
牛燕萍。硅酸盐矿物-聚合物复合材料的制备及其界面机理研究[D].武汉:武汉理工大学，2005
张凌燕，赖伟强。不同矿物复合增强低密度聚乙烯的研究[J].塑料工业，2006年(10): 48
硅灰石的表面改性研究&改性硅灰石在ABS中的应用
张凌燕、赖伟强、唐华伟、郑
(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070)
文摘:研究了硅灰石的表面改性及硅灰石填充ABS的力学性能。结果表明，不同的改性剂、改性剂用量、改性时间都会影响硅灰石的表面改性。γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷处理硅灰石填充ABS可以提高复合材料的刚性，但其他力学性能略有下降。硅灰石填充ABS不仅可以降低产品成本，而且不影响其在工程中的应用。当硅灰石填充率达到20%时，成本可降低15%。
关键词:硅灰石，改性，填充，ABS。