全 文 ：　第 25 卷第 4 期 高分子材料科学与工程 Vol.25 , No.4
　2009 年 4 月 POLYMER MA TERIALS SCIENCE AND ENGINEERING Apr.2009
滑石粉粒径对 PVC/滑石粉复合材料力学性能和
热膨胀系数的影响
邓志伟 , 熊　雷 , 李佳丽 , 陈光顺 , 郭少云
(高分子材料工程国家重点实验室 , 四川大学高分子研究所 , 四川成都 610065)
摘要:使用钛酸酯偶联剂对不同粒径的滑石粉改性 , 并通过熔融共混方法制备了 PVC/滑石粉复合材料。 通过力学性能
测试 、线性膨胀测试等方法研究了滑石粉粒径对复合物的形态结构 、力学性能和线性膨胀系数的影响。 实验结果表明 ,
在实验范围内随着滑石粉含量的增加 , 400 mesh滑石粉会使复合体系拉伸强度降低较多 , 冲击强度基本不变;800 mesh
及 1250 mesh 滑石粉则使复合体系拉伸强度降低明显减少 ,同时增加体系的冲击强度 , 1250 mesh 滑石粉体系冲击强度
在滑石粉含量为 20 份时有极大值。线性膨胀系数结果显示 , 滑石粉的引入能明显降低 PVC 体系的线性膨胀系数 ,滑石
粉粒径尺寸为 800 mesh 和 1250 mesh 时降低幅度比 400 mesh 时明显。
关键词:滑石粉;聚氯乙烯;形态;力学性能;线性热膨胀系数
中图分类号:TQ325.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:1000-7555(2009)04-0077-04
收稿日期:2008-12-08
基金项目:国家高技术研究发展项目计划(863计划)(2006AA03Z542), 国家科技支撑计划(2007BAE10B02)
通讯联系人:陈光顺 , 主要从事高分子力化学 、高分子材料加工和复合改性研究 , E-mail:cgs@scu.edu.cn
　　随着现代科学技术的飞速发展 ,对材料特别是功
能性材料提出了更高的要求 ,常常需要多种材料共同
完成复杂功能或结构 ,而不同材料间性能上的突变往
往会引起诸多界面问题 ,如热膨胀系数的不匹配 ,会带
来诸如界面剥离 、材料变形 、热应力导致的结构破坏等
严重后果 ,使材料或元器件丧失基本功能 。可见热膨
胀性能是材料的一项重要指标 ,特别是对于聚合物材
料来说 ,相比于常用的金属和陶瓷材料 ,具有较大的热
膨胀系数 。而聚合物材料与其它材料协同使用是十分
常见的 ,因此如何降低聚合物材料的热膨胀系数也引
起了研究者的重视 。目前常用的方法有:(1)采用共
聚 、共混 、交联或配位反应等方法改变聚合物链结构和
聚集态结构[ 1] ;(2)在聚合物基体内引入低膨胀系数
或负膨胀系数的填料 ,如 Gu A J等在聚酰亚胺中引入
有机蒙脱土降低了复合体系的热膨胀系数[ 2] ,
Amreesh C 等通过与负热膨胀无机材料 PbTiO3 共混
制备了低热膨胀的 PMMA[ 3] 。
随着 PVC化学建材的发展 ,节能窗用尺寸稳定的
PVC 隔热型材有了市场需求 ,因此需要研究如何降低
PVC 的热膨胀系数 ,但目前这方面的研究基本未见报
道。为了制备节能窗用且尺寸稳定性良好的隔热型
材 ,本文通过加入具有低膨胀系数和片层结构的滑石
粉来改善复合体系的热膨胀系数和耐热性能 ,并研究
了界面作用与填料粒径等对复合体系性能和尺寸稳定
性的影响及机理 。
1　实验部分
1.1　原料
PVC:SG-8四川金路树脂有限公司;滑石粉:广西
龙广滑石开发有限公司;硬脂酸:市售;复合铅盐:雁荡
山牌(FZ-101),温州天盛塑料助剂有限公司;钛酸酯偶
联剂:南京曙光化工集团有限公司 。
1.2　测试与表征
1.2.1　样品制备:将 PVC ,滑石粉 ,复合铅盐 ,硬脂酸
按一定比例混合均匀 ,然后在双辊上于 165 ℃开炼 8
min ,下成片材 ,剪切后于平板硫化机上 180 ℃模压成
1 mm 的片材待用 。
1.2.2　拉伸性能测试:用标准样刀将 1 mm 厚的模压
片材制成哑铃型样条 , 按 GB/T 16421 -1996 在
Inst ron 4302型万能材料试验机上进行测试 。拉伸速
度为 10 mm/min ,实验温度 23 ℃,湿度 55%。每组试
样测试 6个样条 ,测试结果取其平均值 。
1.2.3　扫描电子显微镜观测(SEM):将复合材料在
液氮中冷却脆断 。断面表面经真空镀金处理 ,采用日
本Hitachi公司的 X-650扫描电子显微镜观察样品形
貌。
1.2.4　热膨胀系数测试:将复合材料制成 4 mm ×8
mm×50 mm 的样条 ,使用湘潭市华丰仪器制造有限
公司的PCY-Ⅲ型材料热膨胀系数测试仪按照国标 GB
2572-81进行测量。
2　结果与讨论
2.1　偶联剂处理对滑石粉分散性能的影响
滑石粉为亲水性无机填料 ,用钛酸酯偶联剂对其
进行表面处理。通过对比研究发现:在滑石粉含量相
同时 ,未处理的滑石粉在 PVC 基体中分散不好 ,滑石
粉粒子团聚现象明显 ,且滑石粉粒子与聚合物基体的
界面粘接较差(Fig .1 a);而用偶联剂处理后滑石粉在
PVC基体里面分散良好 ,界面相互作用也得到改善
(Fig.1 b)。在后面的文章中没有特别说明时滑石粉
都采用钛酸酯偶联剂处理 。
Fig.1　SEM micrographs of di fferent PVC/Talc(1250 mesh , 100/ 20)composites
　
　
2.2　滑石粉粒径及含量对 PVC/滑石粉复合体系力
学性能的影响
Fig .2为不同粒径的滑石粉含量对 PVC/滑石粉
复合体系拉伸强度的影响 。可以看出 ,在实验范围内 ,
随滑石粉含量的增加 ,PVC/滑石粉复合体系拉伸强度
降低 ,特别是 400 mesh的滑石粉 ,复合体系拉伸强度
随滑石粉含量增加明显降低 ,而对于含 800 mesh 或
1250 mesh滑石粉的复合体系 ,拉伸强度随滑石粉含
量增加只略微降低 ,并且整体上来说 ,滑石粉的粒径越
小越有利于保持复合体系的拉伸性能。
复合体系的冲击强度随滑石粉含量增加而变化的
趋势如 Fig .3所示 。400 mesh的滑石粉对于 PVC 体
系基本上没有增韧作用 ,复合体系的冲击强度随滑石
粉含量增加变化很小;800 mesh 的滑石粉对 PVC 体
系有一定的增韧作用 ,复合体系的冲击强度随滑石粉
含量增加而略有上升;1250 mesh的滑石粉则对 PVC
体系有明显的增韧作用 ,在滑石粉含量为 20份时 ,复
合体系的冲击强度有极大值 ,其值为纯 PVC体系冲击
强度的 2.7倍。总体上说 1250 mesh的滑石粉最有利
于提高复合体系的冲击强度。
Fig .4为含有 20份 1250 mesh 滑石粉的 PVC/滑
石粉复合体系冲击断面的电镜照片 ,可以看出:当体系
受到冲击应力时滑石粉粒子从 PVC 基体中被拔出从
而吸收大量冲击能 ,同时填料粒子会阻止裂纹的发展 ,
使 PVC 发生韧性断裂(图中中间部分发白的区域为韧
性断裂的 PVC基体),表现为复合体系的冲击强度得
到提高。
78 高分子材料科学与工程 2009年　
实际上 ,滑石粉的化学式为:Mg3(Si4O10)(OH)2 ,
其结构特点是每个六方网层的 Si-O四面体的活性氧
指向同一方向 ,两层 Si-O四面体的活性氧相对排列。
OH-位于 Si-O 四面体网格中心 ,与活性氧处于同一
水平层中[ 4] 。滑石粉粒径越小 ,单位体积内暴露在外
的活性氧及与活性氧处于同一水平层中的 OH -也越
来越多 ,与钛酸酯偶联剂反应活性也就越好 ,偶联剂处
理后滑石粉粒子与偶联剂的相互作用就越强 ,而偶联
剂在填料粒子与基体间搭起的“桥接”作用就越强 ,即
滑石粉粒径尺寸越小 ,与 PVC基体间的相互作用就越
强。
　
　
　　400 mesh滑石粉颗粒太大 ,滑石粉粒子与基体间
较差的相互作用也使填料不能起到较好的增强增韧作
用 ,同时少量的团聚就容易造成较大的缺陷 ,从而对拉
伸强度产生明显影响;随着滑石粉颗粒尺寸减小 ,当粒
子在 PVC中分散较好时 ,粒径越小 ,粒子与 PVC接触
面积越大 ,它们之间的界面作用越强 ,复合体系的拉伸
强度和冲击强度就越好。但同时也应注意 ,当滑石粉
粒径变小后 ,粒子间的团聚倾向增加 ,因此在滑石粉含
量增加到一定值后滑石粉就会出现明显的团聚现象 ,
从而使力学性能明显降低 ,如含 1250 mesh滑石粉的
复合体系含量在超过 20 份后体系的冲击强度就明显
降低 。
2.3　滑石粉粒径对 PVC/滑石粉复合体系线性膨胀
系数的影响
为避免在 T g附近复合体系热膨胀系数偏离线性
变化 ,热膨胀系数的测量温度范围为室温 ～ 65 ℃,结
果如 Tab.1所示。可以看出:滑石粉的加入能够明显
减小 PVC 体系的热膨胀 ,滑石粉含量越高 ,复合体系
的线性热膨胀系数越低;在滑石粉含量相同时 ,滑石粉
粒径减小 ,复合体系热膨胀系数也减小 。一方面 ,滑石
粉引入复合体系中占有一定的体积 ,由于滑石粉本身
作为无机填料而具有的低线性膨胀系数 ,因此受热时
复合体系体积总的变化率降低;另一方面 ,滑石粉粒子
对PVC 分子链受热运动起阻碍作用 ,使 PVC 本身受
热的膨胀降低。
Tab.1　Coef ficient of thermal expansion of different
PVC/Talc composites
Talc content ,
phr
Coeff icient of thermal expansion×105(℃-1)
400 mesh 800 mesh 1250 mesh
0 6.88 6.88 6.88
5 6.57 6.61 6.29
10 6.51 6.00 6.02
15 6.21 5.55 5.59
20 6.02 4.95 5.08
25 5.09 4.16 4.17
30 4.82 3.77 3.62
　　Fig.5 中列出了测得的复合体系的热膨胀系数减
去基体膨胀系数与基体体积含量的乘积所得值(Δα=
αc-cPVCαPVC , αc为实测得到的复合体系的热膨胀系
数 , αPVC和 cPVC分别为基体的膨胀系数和体积含量)与
滑石粉含量间的相互关系 ,可以看出 , Δα值随滑石粉
含量增加而降低 ,并且 800 mesh和 1250 mesh的滑石
粉体系对应的 Δα值明显小于 400 mesh 滑石粉体系。
实际上 Δα值的减小应该是由于填料与基体间形成界
面层引起的[ 5] ,该值越小 ,说明基体中参与到界面层
的基体含量增加 ,即填料粒子与基体间的相互作用增
强。在实验的滑石粉含量范围内 ,滑石粉基本上都能
分散到基体中而不是形成大的团聚体 ,当滑石粉含量
增加时 ,基体参与界面层的含量也增加 ,所有 Δα降
低;滑石粉含量相同而粒径变小时 ,基体与滑石粉粒子
的接触面积明显增加 ,参与到界面层的基体含量也明
显增加 ,所以滑石粉粒径减小时 Δα值明显减小。参
与到界面层的基体含量的增加 ,意味着滑石粉粒子与
PVC 基体间的相互作用增强 ,PVC分子链的运动受到
的限制作用越大 ,从而导致复合体系热膨胀系数降低。
3　结论
滑石粉经过钛酸酯偶联剂处理后 ,有利于提高其
79　第 4期 邓志伟等:滑石粉粒径对 PVC/滑石粉复合材料力学性能和热膨胀系数的影响
在PVC 中的分散性 。粒径尺寸较大(400 mesh)的滑
石粉不适合作为增强材料用在 PVC 体系中 。800
mesh以及 1250 mesh 的滑石粉在较少降低复合体系
拉伸强度的同时能增加复合体系的冲击强度 。不同粒
径尺寸的滑石粉加入后 ,随滑石粉含量的增加 ,复合体
系的线性膨胀系数降低;在含量相同时 ,滑石粉粒径越
小 ,复合体系的线性膨胀系数越小;滑石粉的粒径尺寸
是影响复合体系各种性能的重要指标。
参考文献:
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The Effects of Talc Particle Size on Properties and Coefficient of
Thermal Expansion of PVC/Talc Composites
DENG Zhi-wei , XIONG Lei , LI Jia-li , CHENG Guang-shun , GUO Shao-yun
(State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering , Polymer Research
Institute of S ichuan Universi ty , Chengdu 610065 , China)
ABSTRACT:The modified talc w ith different part icle size w as used to prepare PVC/Talc composites with a lower
coeff icient of thermal expansion(CTE).The dispersion morphology , the mechanical properties and the coef ficient of
thermal expansion of these composites w ere studied.The SEM results show that the modification of talc particles
w ith a coupling agent of organic ti tanate is beneficial to their dispersion in PVC matrix.For a talc particle size of 400
mesh , w ith an increase of talc content , the tensile streng th decreases remarkably and impact st reng th keeps almost
unchanged.But for a talc particle size of 800 mesh or 1250 mesh , w ith an increase of talc content , the tensile
strength only decreases slightly and impact strength increases , especially fo r PVC/Talc composi te w ith a talc particle
size of 1250 mesh , the impact streng th reaches a maximum at a talc content about 20 phr.Meanwhile the addition of
talc into the PVC/Talc composi tes can result in a decrease of the coefficient of thermal expansion , and the smaller the
talc particle size , the lower the coefficient of thermal expansion for PVC/Talc composites.
Keywords:Talc pow der;PVC;morphology ;mechanical properties;coef ficient of thermal expansion
80 高分子材料科学与工程 2009年