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金戈浅谈汽车用高性能PP填充复合材料界面优化技术

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发表时间:2017-10-17 10:24来源:艾邦高分子

  PP作为五大通用塑料之一,由于其具有超高的“性价比”,被广泛的应用于家电、汽车、包装领域。其间,在汽车领域更有代替ABS等其他工程塑料的趋势,如轿车保险杠、表面台、车门内护板等。并且,随着新能源汽车的发展,汽车轻量化、“以塑代钢”的发展趋势已成为必定。这对高性能的PP填充复合材料要求更高。


  怎样获得高性能PP填充复合材料,界面优化才是重点!那么,接下来,金戈就给读者谈谈在PP填充改性的时分,复合材料的界面怎样优化?填料的表面处理剂怎样挑选?


  一、PP填充改性


  PP填充改性:是指以PP树脂为基体,添加一定比例的有机或无机的填料,并辅以助剂,经过混炼、挤出和造粒制得改性PP粒子的过程。其中无机填料有CaCO3、滑石粉、BaSO4等,有机填料有木粉、竹粉、秸秆等。


  无机填料可改进PP的耐热性、刚性、表面硬度和制品的尺度稳定性。此外,纳米级填料还能够改进PP树脂的低温耐性。如滑石粉改性PP的汽车保险杠,BaSO4填充改性PP的高光家电外壳等。


  有机填料耐热性较差,可是能够进步PP制品的尺度稳定性、大幅下降制品的生产成本。现在大多是生物质复合材料,如木塑等产品。


  二、PP填充改性技能瓶颈


  因为这些填料表面具有很多的极性基团,特别是有机填料,与非极性PP基体相容性较差。虽然,制品的成本得以下降,可是使用性能较差。很难满足高性能材料的要求。目前,PP填充改性的技术瓶颈有以下几点:


  1、填料和基体树脂的极性相差较大,复合体系中两相的相容性较差,“界面厚度”不够,导致复合材料的力学性能降低,特别是拉伸性能。


  2、随着无机刚性粒子增韧PP的研究,更多纳米级粒子被应用到PP增韧改性中,如汽车用保险杠(PP+EPDM+20%滑石粉)。这样,具有高表面能的纳米粒子在树脂基体中,如果分散不好,就会团聚,丧失纳米效应,影响复合材料的使用性能。


  目前,解决上述问题的办法,就是通过对填料进行表面处理,改善粒子的表面极性,制得具有“核-壳结构”的功能性填料。


核壳结构包覆示意图


  一方面可改善填料与树脂之间的相容性,增大复合体系中两相的“界面厚度”。另一方面,减弱粒子之间的作用,防止团聚,使得填料可以均匀的分散在树脂集体中,形成“海-岛”结构。


海岛结构


  目前,常用的表面处理剂有三类:表面改性剂、偶联剂和相容剂。所以,要想制得高性能的PP填充复合材料,聚合物—填料之间的界面状态较为关键。


  三、高性能PP填充复合材料的界面优化


  分别以硬脂酸、氨基硅烷偶联剂和PP-g-MAH(PP接枝马来酸酐)为例,分析这三种表面处理剂对滑石粉填充改性PP复合体系性能的影响。


  体系的流变性分析复合材料中两相间的界面状态


  界面改性对于填充聚合物复合体系流变行为的影响常常是双重的。填料的表面处理能够减少颗粒与颗料间的相互作用,因而填料粒子在基体中的分散能够得到改善并引起复合体系熔体粘度的下降。然而,当表面处理能够增强聚合物填料之间的相互作用时,又会促进熔体粘度的提高。


  (1)硬脂酸一类的表面改性剂包覆时,表面活性剂的极性基团被吸附在填料表面上,同时其脂肪链一端向外,沿着垂直于填料颗粒表面的方向排列,形成一个薄的包覆层。这种包覆层可以调整填料表面的物理化学环境,减少填料粒子的聚集,促进其分散。然而,由于这类表面活性剂的脂肪链不能与基体反应,其长度也不足以与PP分子产生有效的缠结,因此这样的包覆层通常导致较弱的基体—填料粒子界面粘结。在剪切流动条件下,这种包覆层具有润滑效果,使聚合物分子链的滑动阻力小于填料粒子未经处理的情况。因此,具有最低的熔体粘度是硬脂酸包覆层的存在所带来的粒子间相互作用减弱和基体与粒子间润滑效应的结果。


硬脂酸一类的表面改性剂


  (2)PP-g-MAH它的酸酐基团可与滑石粉表面极性基团发生强烈的相互作用,而其主链则可与基体大分子相互缠结。因此,填料颗粒在体系中起到物理交联点的作用。PP大分子的运动受到到这些填料颗粒的阻碍,从而导致熔体粘度的提高。


  PP-g-MAH


  (3)氨丙基三甲氧基硅烷中的硅烷基可与加工过程中PP主链上形成的羰基反应,从而在基体主链和填料粒子之间形成化学连接。由于PP主链上形成的羰基不可能很多,而硅烷本身的分子链又很短,不能与PP大分子相互缠结。


  氨丙基三甲氧基硅烷


  所以,三者处理填料后,复合体系中的界面厚度:PP-g-MAH>硅烷>硬脂酸。


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