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  • 滑石粉的表面改性及其在塑料、涂料中的应用特性!
      • 滑石粉的表面改性及其在塑料、涂料中的应用特性!
        • 2021-04-28 00:23:43
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        • 滑石粉
      • 滑石粉是一种水合硅酸盐,其化学式是3MgO·4SiO2·H2O。其结晶形状可为片状、叶状、针状和块状。


        纯滑石的结构由一层水镁石(氢氧化镁,MgO·H2O)夹于两层二氧化硅之间构成,层间彼此叠加,相邻的滑石层依靠弱的范德华力结合。当对其施加剪切作用时,很容易发生层间的相互滑动。

         

        滑石粉对大多数化学试剂显现惰性,与酸接触不分解,是电的不良导体,导热性低且耐热冲击性高,加热到900℃的高温仍不分解。

         

        滑石的这些优良性质使得其成为一种很好的填充剂,广泛用于塑料和涂料领域,但滑石粉亲水性的表面使其在一些疏水领域的应用受到了限制,为进一步改善其性能并拓宽其应用领域,必须进行表面改性。

        1、滑石粉表面改性方法及常用改性剂

        (1)滑石粉常用表面改性剂

        为了让滑石粉更好地与聚合物结合,目前改性用的改性剂主要有两大类:


        偶联剂类:主要为钛酸脂类、铝酸脂类、硅烷类及硬脂酸类,应用较多的是钛酸脂类,其分子结构为R´-O-Ti-(O-X-R-Y)n,其中R´O-能与填料表面化学结构起作用,R为具有脂肪或芳香结构的长链缠结基团,可改善聚合物与填料间的相容性,Y为活性反应基团,能在聚合物填充体系中起交联或键合作用。简言之,偶联剂的一个基团与滑石粉表面反应以键合力结合,另一个基团参与高聚物的聚合反应以键合力与聚合物结合,这样,偶联剂就像桥一样使两者结合起来。


        表面活性剂类:主要是十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化、烯基磺酸钠等,其在聚合物与填料之间相容性改善的作用与偶联剂相同,但其与填料表面结合的机理与偶联剂不同。众所周知,无机粒子的表面都带有电荷,且根据粒子的带电性质可知,随溶液的pH值不同,无机粒子的表面带电性质亦不同,当溶液的pH值大于无机粒子的ZETA等电点时,粒子表面带负电荷,粒子可吸附阳离子表面活性剂,同样.当pH值小于ZETA等电点时,可吸附阴离子表面活性剂。表面活性剂在离子的表面的作用是通过离子交换、离子对的形成、“憎水键”的形成而完成的。但是,表面活性剂对聚合物的吸附不是很好,一般采取吸附单体而后再聚合形成微胶囊包覆。


        (2)滑石粉表面改性方法

        国内外的改性方法大致可分为6种:


        表面覆盖改性:将表面活性剂覆盖于粒子表面,赋予粒子表面新的性质,现今比较普遍的方法。


        机械化学方法:运用粉碎、摩擦等方法增强表面活性的改性方法。这种方法是将比较大的粒子通过粉碎、摩擦等方法使其变得较小,在这个过程中粒子的表面活性变大,亦即表面吸附能力增强,易于吸附其他的物质,使工艺简化,成本降低,同时可使产品的质量易于控制。例如,旧本对部分滑石粉就采取由大粒子变小的方法增强其表面活性,而后与经丙烯酸改性的PP料或PP与PE的共混料混合,所的增强材料一般用于汽车的保险杠、发动机周围零部件、空调零件、仪表盘等工业配件,其中滑石粉一般不经表面处理。国内有的将16.5μm粒径的滑石粉在搅拌磨中粉碎后包覆硅烷偶联剂从而达到对其改性的目的。

         

        外膜层改性:在粒子表面均匀地包覆一层聚合物,从而使粒子表面性质发生变化的方法。对滑石粉而言,可采用先粉碎活化,再在一定条件下吸附表面活性剂,然后通过表面活性剂吸附单体,最后使单体发生聚合反应达到表面包覆的效果。

         

        局部活性改性:利用化学反应在粒子表面上不同的官能团,达到表面改性的目的。


        高能量表面改性:利用高能放电、紫外线、等离子射线等对粒子进行表面改性。这种方法就是利用高能放电、紫外线、等离子射线等所产生的巨大能量对粒子表面进行改性,使其表面具有活性。提高粒子与聚合物的相容性。

         

        沉淀反应改性:利用沉淀反应进行改性。这种方法就是利用沉淀效应对粒子表面进行包覆,从而达到改性的效果。

        2、滑石粉在塑料领域中的应用

        滑石粉填充塑料,可改善制品的刚性、尺寸稳定性、润滑性,可防止高温蠕变,减少对成型机械的磨损,可使聚合物在通过填充提高硬度与抗蠕变性的同时抗冲击强度基本不变。如果处理得当,其可使聚合物的耐热冲击强度提高,可改善塑料的成型收缩率、制品的弯曲弹性模量及拉伸屈服强度。滑石粉的价格低廉,使之适用于作为增量剂(复合物价格较低而树脂的物理性能下降极小),同时,滑石粉的片状结构或纵横比高又使之适用于作为增强剂(提高复合物的机械性能)。

         

        应用于PP料方面:这方面的应用是现在研究的最广的,也是应用的最多的。现在广泛应用于汽车的零部件上,例如汽车的保险杠、发动机周围零部件、空调零件、仪表盘、车灯、底盘、踏板等零部件。


        另外,还应用于改善PP料的各项力学性能,赋予材料新的性质。例如,用32%的滑石粉填充PP料,可提高PP料的机械强度,用于生产洗衣机的配件、生产的建筑排水管件,具有表面光洁度高、韧性好、热变形温度高、尺寸稳定性好等特点,得到了广泛的应用。

         

        在汽车方面的应用:PP料来源广泛,密度小,并可通过改性提高其物理化学性质,可以在不降低机械性能的前提下降低成本,减轻重量,降低油耗。例如,用滑石粉填充的PP料注射成型的汽车用冷却风扇,不但重量轻、噪音低、而且提高了冷却效率。


        在填充料方面,滑石粉是最好的选择,原因是滑石粉的微观结构是片状的,由于它的这种特殊结构,与颗粒状填料相比,具有明显的增强作用,尤其是在PP料中加入时其作用使拉伸屈服强度和刚性明显提高,使得滑石粉-聚合物(PP料)具有一系列优良的机械力学性质,可代替ABS、尼龙和改性PPO等工程塑料,滑石粉增强的PP不仅刚度和韧性之间的关系均衡,而且表面硬度高、抗刮伤性好、纹理美观。


        例如,在国外,美国的HPM公司用20%的滑石粉填充的PP料制成168m25kg的蜂窝状的吸音天花板和轿车的摇窗升降机;日本的三菱以及德国的奥迪公司使用EPDM和滑石粉联合填充PP料用于制作汽车用的保险杠等。


        国内,成都有机硅研究中心为桑塔纳轿车成功地研究出用于摇窗机卷筒外壳和电器插件外壳用的滑石粉填充的PP料;燕山公司研制出的车门内衬板用的滑石粉填充的PP料以及化工部南通合成材料厂为上海大众汽车公司研制的替代VW4405PP6(德国改性PP料,用于生产空气滤清器)的滑石粉填充的PP料等。其它方面如仪表盘、底盘、踏板等亦有广泛应用。


        另外,现在将改性后的滑石粉用于SMC料中也在研究中,如果研究成功,可大幅度地降低汽车的自重以减低油耗。


        应用于家电方面:在我国,PP料以通用型的为主,高强以及耐冲击的高性能的PP料很少,这与国外的情况相比差距很大。用滑石粉填充PP料可明显提高PP料的耐冲击性、耐热性、耐腐蚀性,主要应用于生产洗衣机等家电,其中洗衣机是用量最大的。


        例如,济南塑料制品厂以合适的工艺及配方制出的滑石粉填充的PP料应用于济南洗衣机厂的滚筒洗衣机的配套件生产,其制品经检验完全合格。

         

        应用于其他塑料方面:因为滑石粉填充塑料不仅可提高制品的刚性、改善尺寸稳定性、润滑性,还可减少对成型机械和模具的磨损,故其还可用于其他塑料如PE、PVC、ABS以及尼龙等。


        例如,用滑石粉填充ABS和尼龙,可改善ABS及尼龙的绕曲模量。重庆合成化工厂就使用纤维含量较高的滑石粉填充PVC,对PVC进行改性,而后用改性了的PVC生产出了各方面性能俱佳的PVC地砖。

        3、滑石粉在涂料领域中的应用

        因为滑石粉具有良好的悬浮性和易分散性且磨蚀性低,滑石粉可作为涂料的填充剂,片状粒子结构的滑石粉可使涂膜具有很高的耐水性和瓷漆不渗性,主要应用于底漆和中间涂料;纤维状粒子结构的滑石粉,因吸油量高且具有良好的流变性,使得涂料的储存稳定性得到改进.并可使涂料的流变性及流平性得到很好的改善,同时可提高涂料的耐侯性。


        涂料本身是一种广义上的复合材料,之所以是以液体形式出现,是为了方便其施工。在溶剂挥发后,墙体表面的涂料实质是一种复合材料。涂料在施工过程中属于假塑性流体,既是当剪切力增加时其黏度下降的一类非牛顿型流体,因此,有效分散并与涂料树脂完全润湿的滑石粉可有效地改善涂料的流变性。


        根据流变模型,可将施工过程中的涂料看作是由许多厚度为dh的薄层所组成,在外力作用下薄层之间发生滑动在滑石粉有效润湿并完全分散的前提下因滑石粉的层间内聚力大于涂层间的内聚力使得薄层间发生界面滑动的屈服应力提高,在流变模型中,可将其视为薄层的厚度增加,因此.剪切速率减小,黏度提高。当外力增加时,其内部结构部分被破坏,黏度下降,在外力消失后,滑石粉层间的回复的趋势又使得涂料的部分提高,表现出了类似触变性流体的性质,在其它助剂的辅助下可达到较理想的流变性质。涂膜施工完毕至完全干燥的过程中,滑石粉的片状结构可有效地改善涂膜的流平性。


        当涂膜完全干燥后,滑石粉因其较高的长径比,可赋予涂膜以较高的抗冲击强度和断裂韧性。滑石粉在干燥的涂膜中的作用类似于在高分子复合材料中的作用。

        4、改性滑石粉应用前景

        随着人们对滑石粉特性的认识逐步加深,滑石粉在涂料、塑料等行业中的应用领域将不断扩大。由于改性高档滑石粉的生产能力远远小于国内外市场的需求,滑石粉的合理改性越来越被人们重视。

         

        因此,在我们熟悉滑石粉各种理化性能及其在各行业中应用特性的同时,要在实验和生产应用中不断总结,不断探索创新,运用现有高科技手段扩大中低档产品的深加工,开发高附加值的产品,共创滑石行业和涂料等加工行业的共赢局面。随着滑石粉改性技术的进一步发展,其在我国塑料、涂料等行业中必将发挥越来越大的作用。


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