全 文 ：助　　　剂
超细滑石粉填充 PP的增强效应
杨华明 , 曹建红 , 敖伟琴 , 邱冠周
(中南大学无机材料系 , 湖南 长沙 410083)
摘　要:以偶联剂改性的超细滑石粉填充 PP 制备复合材料 , 测定了复合材料的力学性能 , 分析了偶联剂的种类 、滑
石粉细度和填充量对 PP/滑石粉性能的影响 , 考察了体系动态粘度的变化规律 , 计算了滑石粉与 PP 间的粘附功。
研究表明粘附功与滑石粉的增强性能之间有良好的对应关系。
关　键　词:滑石粉;聚丙烯;动态粘度;粘附功;增强效应
中图分类号:TQ327.8　　文献标识码:B　　文章编号:1001-9278(2003)01-0082-03
Reinforcement Effect of Ultrafine Talc Powder Filled Polypropylene
YANG Hua-ming , CAO Jian-hong , AO Wei-qin , QIU Guang-zhou
(Department of Ino rganic Materials , Central South China University , Changsha 410083 , China)
Abstract:Coupling agent t reated ultrafine talc pow der filled PP composi te is prepared.Mechanical prop-
erties of the composite are measured.Influences of coupling agent kinds , size and volume fraction of talc
pow der on the properties of the composite are analysed.The fluctuation principle of dynamic viscosity of
the composite is investigated.Adhensive wo rks between talc pow ders and PP are calculated.The results
indicate that there exists a good relationship between adhensive work and reinforcement ef fects.
Key words:talc pow der;polypropylene;dynamic viscosity;adhensive work;reinforcement effect
　　滑石粉填充 PP 复合材料已广泛应用于汽车部件
及日常用品的生产 ,其产品与未填充滑石粉的 PP 相比
具有良好的表观质量 、低的收缩率和较高的热变形温
度 ,然而由于两相界面的亲和性不强 ,滑石粉的直接填
充往往导致一些力学性能的下降 ,从而使复合材料的
应用受到限制[ 1] 。对其进行表面改性处理可有效地改
进滑石粉与聚合物的界面亲和性 ,提高聚合物对滑石
粉的润湿能力 ,改善滑石粉填料在高聚物基料中的分
散状态 ,从而提高复合材料的物理力学性能 。有关矿
物粉体增强 PP 的性能国内外已有许多研究 ,对其增强
机理进行了大量的分析探讨 ,并对提出的机理相继建
立了一些模型 ,这些研究促进了矿物粒子增强聚合物
制备复合材料的理论和实际应用[ 2 ,3] 。但这些研究都
基于复合材料的结构分析 、矿物粉体性质 、填充量来确
收稿日期:2002-10-10
基金项目:湖南省优秀博士学位论文基金资助(项目编号
200114)
立两者的相关关系 ,例如建立了材料强度 、弹性模量 、
流变性能与矿物粉体填充量之间的关系式[ 4] ,而忽略
了矿物粒子与聚合物基体界面作用的复杂性 ,而这个
因素对于解释矿物粉体的增强作用 、了解复合材料的
应用性能都是至关重要的[ 5] 。本文结合超细滑石粉填
充 PP 体系的动态粘度分析 ,从滑石粉与 PP 间粘附功
的角度来研究超细滑石粉填充 PP 的增强效应。
1　实验
滑石取自广西南宁 ,将滑石原料进行提纯 、分级 、
粉碎 ,采用搅拌球磨机进行超微细加工 ,以 ZrO2 球作
介质 ,细磨得到超细滑石粉 ,平均粒径为 0.95μm ,小于
2 μm 的含量为 92.7 %,比表面积 3.56 m2/g 。激光法
测粉体的粒度 ,比表面积仪测定粉体的比表面积 ,动态
粘度仪测 30 %滑石粉与 PP 混合料的动态粘度(η),
PP 为湖南长炼公司产 PPT30S 。
实验需用偶联剂对超细滑石粉进行表面改性 ,以
增加与 PP 基体的亲和性 。将超细滑石粉装入高速混
第 17 卷　第 1 期 中　国　塑　料 Vol.17 , No.1
2003 年 1 月 CHINA PLASTICS Jan., 2003
合机中 ,混合机转速为 1 000 r/min ,温度 90 ℃,搅拌
30 min 后喷雾加入 1 %偶联剂(经稀释),再继续搅拌
30 min即可。所用的偶联剂有硅烷 KH-550(代号KH ,
下同)和 A-151(A1)、钛酸酯 NDZ-201(ND)和 TC-212
(TC)、锆铝酸酯 APG(AP)和 AM(AM)、磷酸酯 PNP9
(PN)共计 7种。
以超细滑石粉作填料 ,按文献[ 6]制备 PP/滑石粉
复合材料。按滑石粉的不同填充量与 PP 配比 ,通过双
螺杆挤出机混合造粒后 ,经注塑机注射成型标准样条 ,
按国家标准检测样条的拉伸强度 、弯曲强度和弹性模
量。
使用的仪器设备为:ZJM-20 搅拌球磨机 , GH-25
高速 混合 机 , Hydro-2000MU 粉 末 粒 度 分 析 仪
(Malverm 公司), Autosorb-Ⅰ型比表面积测定仪和
RS150型动态粘度仪(温度 230 ℃,应力 200 Pa ,扫描
频率 0.1 ～ 100 Hz)。
2　结果与讨论
2.1　滑石粉填充 PP体系的流变性能
为了更好地了解滑石粉对填充体系流变性能的影
响 ,分别检测经不同偶联剂改性的 30 %滑石粉填充
PP 体系的动态粘度曲线 ,见图 1所示 。
滑石粉改性剂:1—KH　2—KH+ND　3—ND
4—AP　5—PN　6—未改性
图 1　滑石粉填充 PP 体系的动态流变曲线
Fig.1　Dynamic rheological behavio r o f talc filled PP composite
从图 1中比较明显地看出 ,经不同偶联剂处理的
滑石粉填充 PP 后 ,体系仍保持为假塑性液体 ,即随着
剪切速率的增加 ,体系的粘度降低。在各种改性滑石
粉中 ,硅烷处理的滑石粉对体系的粘度影响最小 ,而未
处理的滑石粉对体系的粘度影响最大。
2.2　滑石粉表面改性对 PP增强性能的影响
表 1是经不同偶联剂处理的超细滑石粉填充 PP
的效果 。从表 1中可以看出 ,滑石粉经偶联剂处理后 ,
其填充 PP的增强性能明显提高;各种偶联剂对 PP 的
增强效果有很大的差别 ,其中以硅烷类最好 ,磷酸酯较
差 ,而将硅烷与钛酸酯合用 ,其效果也较为理想 ,这可
能与两者产生协同效应有关 。
表 1　PP/滑石粉复合材料的拉伸强度 MPa
Tab.1　Tensile streng th of PP/ talc composite MPa
滑石粉
改性剂
未改
性 KH A1 ND TC AP AM PN
KH+
ND
拉伸强度 22.3 32.4 34.8 29.0 28.7 26.5 28.1 26.0 30.9
2.3　滑石粉粒度对 PP增强性能的影响
滑石粉粒度在填充 PP 复合材料的制备中是一个
很重要的因素 ,从表 2中可以看出 ,随着滑石粉粒度的
减小 ,表面积的增大 ,粉体的增强性能提高 ,这主要是
因为小颗粒表面缺陷相对较少 ,与 PP 发生物理化学结
合的可能性大 ,界面粘结性能良好 ,在外力冲击下 ,会
产生更多的微裂纹和塑性变形 ,但进一步超细化 ,使粉
体表面显著增大 ,颗粒间作用过强 ,粉体易于结聚 ,影
响了在 PP 中的分散性 。所以粉体粒径小于 1.0 μm
时 ,增强效果并不明显 。
表 2　滑石粉粒度对 PP/滑石粉复合材料性能的影响
Tab.2　Influences of talc size on proper ties of PP/ talc composite
滑石粉粒径/μm 3.96 2.50 1.86 1.19 0.95
拉伸强度/MPa 24.6 30.7 32.0 37.2 37.7
弯曲强度/MPa 41.9 52.9 62.4 64.4 65.0
弹性模量/GPa 1.508 1.614 1.905 2.038 2.163
　　注:滑石粉用量 15 %,粒径为平均粒径 , PP的拉伸强度 、弯曲强度 、
弹性模量分别为 31.9 MPa、60.9 MPa 、1 424 MPa。
2.4　滑石粉填充量对 PP增强性能的影响
从表 3中可以看出 ,填料量小于 15 %时 ,复合材
料的强度随滑石粉用量的增加而增大 ,大于 15 %时则
反而降低 。这主要是由于滑石粉填充量太小 ,分散浓
度太低 ,吸收外应力的主体是 PP 基体 ,不能起到明显
的增强增韧作用;填充量较大时 , 粒子间过于相互接
近 ,因有限的基体不足以包裹所有的颗粒 ,界面粘结状
况下降 ,出现粘结缺陷 ,材料受冲击时微裂纹和塑性变
形太大 ,几乎成为宏观开裂 ,导致强度下降 。
表 3　滑石粉填充量对 PP/滑石粉复合材料性能的影响
Tab.3　Influences of talc volume fraction on
proper ties of PP/ talc composite
滑石粉填充量/ % 0 5 10 15 20 25
拉伸强度/MPa 31.9 33.8 35.7 37.0 30.4 25.6
弯曲强度/MPa 60.9 62.4 62.9 64.1 58.8 52.4
拉伸模量/GPa 1.424 1.643 1.801 2.320 1.736 1.359
　　注:滑石粉的平均粒径为 0.95μm。
2.5　滑石粉与 PP间的粘附功
粘附功(W a)反映滑石粉与 PP 基体间的粘结能
　2003 年 1 月 中　国　塑　料 ·83　 ·　
力 , W a值越大 ,两者的界面结合性能越好 ,有利于复合
材料性能的提高。滑石粉与 PP 间的 W a可由 Fowkes
方程[ 7]计算:
W a=W da +Wha (1)
Wda =2(γdf γdp)1/ 2 (2)
W
h
a =2(γhf γhp)1/2 (3)
式中　W a———粘附功
　γ———表面自由能
　d , h ———分散和极性分量
　f , p———滑石粉和 PP
由Owens和Wendt方程[ 8]
1+cosθ=2[(γds γdl)1/2+(γhsγhl)1/ 2] / γl (4)
γs=γds +γhs (5)
式中　θ———接触角
　s , l———滑石粉(或 PP)和液体(水 、正十六烷)
　γl———测量滑石粉接触角所用的液体(水 、正十
六烷)的表面能
用 JJC-1型接触角测量仪测定滑石粉 、PP 分别与
水 、正十六烷的接触角(测 40个数据 ,取平均值),水和
正十六烷的表面自由能见表 4[ 9] 。用不同液体可由式
(4)测得 γdf 、γhf 、γdp 和 γhp ,由(2)、(3)式计算得 W da 和
Wha ,再根据(1)式得到 W a ,结果见表 5。
表 4　水和正十六烷的表面能 mJ/m2
Tab.4　Surface energ y of water and hexadecane　mJ/ m2
项　目 γdl γhl γl
水 21.6 51.0 72.6
正十六烷 27.1 - 27.1
表 5　滑石粉与 PP间的 Wa mJ/m2
Tab.5　Adhensive work be tw een PP and talc mJ/ m2
滑石粉
改性剂
未改
性 KH A1 ND TC AP AM PN
KH+
ND
W a 123.8 226.4 312.4 180.7 176.5 150.9 166.4 145.7 203.1
从表 5的结果中可以看出 ,未经表面改性的滑石
粉 , W a值最小;经表面改性后 ,滑石粉与 PP 的 W a 大
大增加 ,其中经硅烷处理的滑石粉的 W a最大 ,对应表
1的拉伸强度 ,很明显看出两者有较好的对应关系 , W a
值越大 ,复合材料的拉伸强度越大(见图 2),即改性滑
石粉大大提高了 PP 的增强性能。
3　结论
用不同偶联剂改性的超细滑石粉填充 PP 体系的
动态粘度有较大的差别 ,硅烷偶联剂的效果较为理想 ,
　　
图 2　滑石粉填充 PP 复合材料的 Wa
与拉伸强度的关系
Fig.2　Relationship between adhensive work and
tensile streng th of talc filled PP composite
改性后滑石粉填充 PP 体系的动态粘度明显降低 ,改善
了与PP 的相容性。滑石粉与 PP 间的粘附功与复合材
料的拉伸强度有良好的对应关系 ,粘附功越大 ,材料的
力学性能越好 。
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