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碳酸鈣為什么可以讓塑料如此“韌性”?這是最好的答案!

發(fā)布時(shí)間:2022-03-17 15:57:27 來(lái)源:http://tengyuehr.com 分類:行業(yè)資訊 次瀏覽

碳酸鈣

為什么可以讓塑料如此“韌性”?


 導(dǎo)讀

   目前,塑料制品應(yīng)用于我們生活的方方面面,如建材、交通運(yùn)輸、汽車制造等等。但在塑料制品使用的過(guò)程中,制品的韌性和強(qiáng)度往往并不能很好地結(jié)合起來(lái)。可以說(shuō),塑料增韌增強(qiáng)是高分子材料應(yīng)用要解決的重要問(wèn)題。


   從材料學(xué)角度分析,塑料應(yīng)用中的高比強(qiáng)度、高比模量、高韌性、耐磨損等均與塑料韌性和強(qiáng)度有關(guān)。塑料強(qiáng)度和韌性是結(jié)構(gòu)材料中兩個(gè)特別重要但又相互矛盾的力學(xué)性能。


納米CaCO3共混增韌塑料

圖片

01

碳酸鈣增韌塑料的優(yōu)勢(shì)

碳酸鈣是塑料行業(yè)中應(yīng)用較多,較為常見(jiàn)的一種無(wú)機(jī)填料,其原料豐富,工藝成熟,價(jià)格實(shí)惠,廣泛應(yīng)用于五大塑料制品中。以超細(xì)或納米碳酸鈣材料而論,本身具有極高的表面積,在高分子聚合物中可以顯著提高材料的抗沖擊性能(韌性),對(duì)拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)也具有提升作用。在與聚合物復(fù)合時(shí),納米顆粒的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)以及協(xié)同效應(yīng),將使復(fù)合材料的綜合性能有極大的提高。

02

碳酸鈣填充改性塑料的方法

2.1 溶膠凝膠法   

該法是在高化學(xué)活性的硅氧烷金屬化合物等前驅(qū)體體系中進(jìn)行,前驅(qū)體發(fā)生水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)形成穩(wěn)定且均勻的透明凝膠體系,同時(shí)形成CaCO3粒子,且粒子高度分散在凝膠體系中。隨著時(shí)間的推移,凝膠體系逐漸失去流動(dòng)性,再對(duì)凝膠進(jìn)行干燥或燒結(jié)處理,得到納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該法使CaCO3在有機(jī)基體中高度分散,充分發(fā)揮納米材料的性能優(yōu)勢(shì),所制備復(fù)合材料的各項(xiàng)性能優(yōu)良。但該法由于在干燥過(guò)程產(chǎn)生收縮應(yīng)力,導(dǎo)致很難獲得大批量產(chǎn)品,無(wú)法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

2.2 原位聚合法 

該法是按一定比例將CaCO3均勻混入塑料單體中,在塑料單體發(fā)生聚合反應(yīng)制備高分子塑料時(shí),由于CaCO3粒子與塑料單體發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng),使CaCO3能夠有效附著在塑料單體表面,并隨著單體的縮聚過(guò)程均勻的分散在塑料基體中。利用該法制備復(fù)合材料,反應(yīng)條件溫和,可在不改變無(wú)機(jī)納米粒子自身特性的情況下具有優(yōu)異的成型效果。但目前使用技術(shù)還不成熟,未能大范圍使用。

2.3 共混法   

該法是利用物理共混的方式,用乳液共混、熔融共混和機(jī)械共混的形式,將CaCO3粒子混入已經(jīng)縮聚成型的塑料基體中。共混法具有過(guò)程簡(jiǎn)單可控,設(shè)備簡(jiǎn)單,碳酸鈣和塑料基體的制備可分步進(jìn)行,互不干擾,可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì),也是目前塑料改性最為常見(jiàn)的方法之一。不過(guò),共混過(guò)程中碳酸鈣如何均勻分散在塑料基體中也是個(gè)長(zhǎng)久課題。

     另外,在共混過(guò)程中添加特殊結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)礦物,形成材料結(jié)構(gòu)上的良性調(diào)整也有助于韌性增加。例如,碳酸鈣、硅灰石、水鎂石、海泡等礦物都可能產(chǎn)生特殊結(jié)構(gòu),如球狀、片狀、纖維狀、網(wǎng)狀、層狀、多孔等結(jié)構(gòu)。


03

碳酸鈣增韌塑料研究進(jìn)展

3.1 ABS增韌   

Jiang等采用熔融共混法,分別制備出了納米CaCO3/ABS復(fù)合材料和微米CaCO3/ABS復(fù)合材料。結(jié)果表明,納米CaCO3在復(fù)合材料中分散更均勻,且前者所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能明顯優(yōu)于后者。分析認(rèn)為,造成這種情況的主要原因是納米CaCO3與ABS的界面面積增大和韌帶的空化剪切屈服協(xié)同影響。

3.2 PP增韌   

Feng等為改善PP纖維與水泥基體的粘結(jié)性能,采用納米CaCO3對(duì)PP纖維進(jìn)行表面改性。發(fā)現(xiàn)經(jīng)納米CaCO3改性后,PP纖維表面粗糙度增加,形成致密的水化產(chǎn)物,水化程度高。將改性后的PP纖維填充水泥發(fā)現(xiàn),其復(fù)合材料抗彎性能得到明顯提升。

3.3 增韌母料   

專利CN102875869A,公開(kāi)了一種納米碳酸鈣增強(qiáng)增韌塑料母料及其制備方法。該母料是由納米碳酸鈣、微米碳酸鈣、茂金屬聚乙烯、載體樹(shù)脂和助劑組成,納米和微米碳酸鈣的共混加入提高了母料增強(qiáng)增韌的作用,茂金屬聚乙烯強(qiáng)度高、韌性好,可同時(shí)提高母料的增強(qiáng)增韌效果。

     該母料在制備時(shí)分兩步完成,使納米碳酸鈣經(jīng)過(guò)了兩次同向雙螺桿擠出機(jī),進(jìn)一步加強(qiáng)了其在母料中的分散性,充分體現(xiàn)了其增強(qiáng)增韌的作用。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使納米碳酸鈣均勻地分散在載體樹(shù)脂中,制成的母料大大體現(xiàn)了納米碳酸鈣特有的增強(qiáng)、增韌性能。


04

無(wú)機(jī)粉體增韌塑料技術(shù)展望

     從宏觀角度來(lái)看,未來(lái)塑料增韌增強(qiáng)主要向材料復(fù)合技術(shù)路線發(fā)展。如通過(guò)選用低成本的無(wú)機(jī)材料,通過(guò)納米粉體、一維結(jié)構(gòu)材料(硅灰石、碳酸鈣晶須、短玻璃纖維)、二維結(jié)構(gòu)材料(滑石粉、云母粉、石墨烯)三維結(jié)構(gòu)(硫酸鋇、玻璃微珠等提高材料綜合性能,制備成母料,既可以替換納米增韌母料,也可以替換玻璃纖維增強(qiáng)母料,具有較寬的適應(yīng)性。


      例如,武漢理工大學(xué)張凌燕研究了復(fù)合體系的增韌機(jī)理,發(fā)現(xiàn)PP復(fù)合材料的強(qiáng)度及韌性的提高并不是云母、硅灰石、碳酸鈣或者LDPE、POE某一單因素所起的作用,而是體系中三者協(xié)同作用的結(jié)果。因此幾種材料之間的協(xié)同作用會(huì)成為未來(lái)塑料增韌增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。


  結(jié)  語(yǔ)  

對(duì)碳酸鈣而言,價(jià)格是一個(gè)優(yōu)勢(shì),能有效確保使用量;形貌可加工性是另一個(gè)優(yōu)勢(shì),例如碳酸鈣晶須、球形、多孔、餅狀等;品類豐富,有輕鈣、重鈣、納米鈣等同源多樣化產(chǎn)品,粉體屬性存在多樣化,能與多種礦物復(fù)配,面對(duì)普通性質(zhì)的粉體材料和塑料制品,碳酸鈣廣泛的普適性也是一個(gè)較大優(yōu)勢(shì)。

參考來(lái)源: 

陳慶,等:塑料增韌增強(qiáng)技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì),成都新柯力化工

童佳佳,等:納米CaCO3改性及其在塑料中的應(yīng)用,合肥工業(yè)大學(xué)

張凌燕,等:硅酸鹽礦物增韌增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料試驗(yàn)研究,武漢理工大學(xué)

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