(武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070)
矽灰石粉體的表面改性效果和填充ABS塑料的力學性能研究表明，不同的改性劑、改性劑用量和改性時間對矽灰石的改性效果有重要影響。γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基矽烷改性矽灰石填充工程塑料ABS，提高了復合材料的剛性和熔體流動性，雖然其他力學性能略有下降，但不影響其在工程中的應用。同時降低了ABS塑料的成本。當填充量為20%時，成本可降低15% [1 ~ 6]。
矽灰石；修改；填充；ABS .
第壹作者簡介:張淩燕，湖北省武漢理工大學資源與環境工程學院副教授。主要研究方向為非金屬礦物材料及其應用。聯系電話:027-87882128。
矽灰石屬於鏈狀偏矽酸，化學分子式為CaSiO3。粉碎後，顆粒呈纖維狀或針狀。矽灰石無毒，吸油量低，吸水率低，熱穩定性和化學穩定性好，白度高，具有獨特的粉末纖維，用途廣泛。改性矽灰石粉由於其改善的表面性質，提高了其疏水和親油能力。應用於塑料、橡膠基體材料時，能更均勻地分散，與基體材料親和力強，能提高塑料、橡膠制品的力學性能和耐老化性能。工程塑料是指可用作結構材料的塑料，能在較寬的溫度範圍內和較長時間內保持優異的性能，能承受較高的機械應力，能在惡劣的化學和物理環境中長期使用[1]。但是，與通用塑料相比，工程塑料由於價格昂貴，使用受到限制。本實驗對矽灰石進行了表面改性，分析了改性條件對改性效果的影響，並研究了改性矽灰石填充ABS的性能。
壹.實驗
(壹)主要原材料、設備和儀器
樹脂基材為ABS(丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物)，中國石油吉林石化公司；矽灰石微粉，原礦來自青海都蘭縣海斯，矽灰石礦物含量90%以上，Cao 41.74%；SiO251.25%，d90 13.81μm，長寬比11，白度80；矽烷偶聯劑，γ-氨丙基三乙氧基矽烷(WD-50)，γ-(2，3-環氧丙氧基)丙基三甲基矽烷(WD-60)，γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基矽烷(WD-70)，武漢大學矽新材料有限公司。改性助劑氨水(分析純)，市售；塑料添加劑包括增塑劑(DEP)、抗氧化劑(1010)、分散劑(石蠟)和潤滑劑(硬脂酸鈣)。
GH-1型實驗室用高速捏合機，北京英特塑料機械總廠；南京橡塑機械廠SJSH-30雙螺桿復合擠出機；冷造粒機，LQ-100，南京橡塑機械廠；註塑機，CJ50E-2，振德塑機廠；靜態水滴接觸角測量儀，JC2000A，上海陳中數碼科技設備有限公司；掃描電子顯微鏡，日本JEOL公司；電子拉力試驗機，RGD-5，深圳瑞格爾儀器有限公司；無錫市計量科學研究院巴雷特硬度計，HBa-1；深圳市新三思材料測試有限公司ZRZ-40型熔體流動速率儀..
(2)矽灰石微粉的表面改性
由於矽灰石粉親水疏油，與ABS的相容性差。為了改善其與ABS的相容性，必須對其進行表面改性，以提高其在聚合物體系中的分散性。采用GH-10DY高速捏合機進行表面改性，攪拌速度為1250 r/min，氨水用量為1%，氨水與蒸餾水以2∶1的比例稀釋。修改流程如圖1 [2，5]所示。
圖1矽灰石微粉的表面改性過程
(3)修改效果測試
1.潤濕接觸角
用靜態滴接觸角測量儀測量改性矽灰石粉的濕接觸角，測試溶液為水。
2.活化指數
將壹定量的改性矽灰石微粉加入燒杯中，加入蒸餾水，劇烈攪拌，靜置分層，然後分別取出浮物M1和沈物M2，幹燥後稱重，活化率為M1/(M1+m2)。
(4)ABS-矽灰石復合材料的制備
壹次樣品總量為600g；塑料添加劑的用量為:DEP 2%，抗氧劑1010 0.5%，石蠟0.5%，硬脂酸鈣0.2%。擠壓造粒工藝參數:擠壓溫度170 ~ 185℃，螺桿轉速140 ~ 160 r/min。註射成型工藝參數:溫度190 ~ 220℃，註射時間6s，保壓時間14s。ABS矽灰石復合材料的制備工藝[3，5]:(改性矽灰石微粉、ABS和添加劑)→混合→擠出復合→造粒→註射成型→後處理→性能測試。
(五)復合材料性能的測試方法
拉伸性能，GB/T 1040—1992；彎曲性能，GB 9341-88；沖擊性能，GB/T 1843—80(89)；巴斯德硬度，GB/T 9342—1988；熔體流動速率，GB 3682-83。
二、測試結果及討論
(壹)不同改性工藝條件對改性效果的影響
1.不同改性劑的效果
采用相同的改性劑用量1%，相同的改性條件(改性溫度120℃，改性時間20 min)，用WD-50、WD-60和WD-70作為改性劑對矽灰石微粉進行改性，結果見表1。從表1可以看出，WD-70的改性效果優於其他兩種。
表1不同矽烷改性劑對矽灰石微粉的改性效果
2.不同改性劑用量的影響
以WD-70為改性劑，改性溫度為65438±020℃，改性時間為20 min。用不同量的改性劑進行對比試驗，結果如圖2所示。從圖2可以看出，潤濕接觸角和活化指數隨著改性劑用量的增加而增加，當改性劑用量大於1%時，增加趨勢減緩。綜合經濟因素考慮，改性劑用量應控制在65438±0%左右。
3.修改時間的影響
以WD-70為改性劑，改性劑用量為1%，改性溫度為120℃。在不同的修改時間進行對比測試，結果如圖3所示。從圖3可以看出，潤濕接觸角和活化指數隨著修飾時間的延長而增大。當改性時間大於20 min時，增加趨勢減緩，改性效果並沒有隨著時間的延長而明顯增加。因此，合適的改性時間應為20 min。
圖2改性劑用量與改性效果的關系
圖3改性時間與改性效果的關系
(2)矽灰石填充量對復合材料性能的影響
從圖4a可以看出，隨著矽灰石填充量的增加，復合材料的拉伸強度先增大後減小，當矽灰石填充量為20%時達到峰值。結果表明，20%是矽灰石填充ABS拉伸強度的臨界值。如果超過這個量，矽灰石粉在ABS樹脂連續相中的分散性變差，矽灰石與樹脂基體的界面粘結變差，容易造成界面脫粘。但填充20% ABS的復合材料拉伸強度仍低於純ABS，但降幅僅為13.2%，明顯高於國標GB 12672-90對ABS樹脂的最低要求(27MPa)。從圖4a中還可以看出，復合材料的抗彎強度隨著矽灰石含量的增加而降低，但其最小值也高於上述國家標準的最低要求(47MPa)。
矽灰石含量對復合材料性能的影響。
從圖4b可以看出，復合材料的缺口沖擊強度隨著矽灰石含量的增加而降低，而其硬度隨著矽灰石含量的增加而增加，達到純ABS的2.7倍。這說明矽灰石的加入使復合材料的韌性變差，而剛性卻增強了。
從圖4 c可以看出，復合材料的熔體流動速率隨著矽灰石填充量的增加而增加，最高可達到純ABS的1.75倍，說明矽灰石的加入改善了復合材料的流動性。
(3)復合材料拉伸截面的微觀結構分析
從圖5中可以看出，隨著矽灰石含量的增加，矽灰石顆粒在ABS基體中的分散性變差，容易團聚，使得復合材料在微觀上呈現不均勻性。同時，在拉伸斷面上也可以看到矽灰石顆粒被不同程度拉出的現象。從圖5 c中可以清楚地看到，有大的矽灰石顆粒被拉出的痕跡。這說明矽灰石顆粒與ABS基體的粘附性不好，受到外力時容易脫粘，導致復合材料力學性能下降。相比較而言，圖5b中兩相界面模糊，拉出的矽灰石顆粒較少。表明矽灰石顆粒與ABS基體結合良好，力學性能相對較好，這與上壹節(2)的分析結果壹致。
圖5復合材料拉伸截面的SEM圖像
矽灰石填充量:A-10%；b—20%；c—40%
三。結論
1)表明，γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基矽烷(WD-70)的改性效果優於γ-氨丙基三乙氧基矽烷(WD-50)和γ-(2，3-環氧丙氧基)丙基三甲基矽烷(WD-60)。在溫度120℃、WD-70 1%用量、時間20 min的條件下，矽灰石的改性效果較好。
2)矽灰石填充ABS的力學性能研究結果表明，改性矽灰石的加入增強了復合材料的剛性和熔體流動性，而其他力學性能有所降低，但不影響其在工程中的應用，並能降低成本。從測試結果來看，矽灰石的適宜填充量為20%，該填充量的復合材料成本比純ABS低15%。同時，矽灰石作為工程塑料的填料，與其他填料相比有自己的優勢:與輕鈣、滑石粉相比，矽灰石填充體系粘度低，可高填充，有利於節約樹脂，降低成本；與碳酸鈣相比，矽灰石填充體系耐化學腐蝕性好，增塑劑吸收量小，制品表面光潔度好。與玻璃纖維相比，具有更大的價格優勢；硫酸鈣、滑石粉、白炭黑等。，壹般含有結晶水，受熱有脫水問題，而矽灰石熱穩定性好。因此，矽灰石是工程塑料的良好填料。
參考
[1]楊世英，陳棟傳。包晶工程塑料手冊[M]。北京:中國紡織出版社，1994。
鄭水林。粉末表面改性[M].北京:建築材料工業出版社，1995
、劉、。塑料填充改性[M]。北京:中國輕工業出版社，1998。
文·。復合材料原理[M]。武漢:武漢理工大學出版社，1998
牛燕萍。矽酸鹽礦物-聚合物復合材料的制備及其界面機理研究[D].武漢:武漢理工大學，2005
張淩燕，賴偉強。不同礦物復合增強低密度聚乙烯的研究[J].塑料工業，2006年(10): 48
矽灰石的表面改性研究&改性矽灰石在ABS中的應用
張淩燕、賴偉強、唐華偉、鄭
(武漢理工大學資源與環境工程學院，湖北武漢430070)
文摘:研究了矽灰石的表面改性及矽灰石填充ABS的力學性能。結果表明，不同的改性劑、改性劑用量、改性時間都會影響矽灰石的表面改性。γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基矽烷處理矽灰石填充ABS可以提高復合材料的剛性，但其他力學性能略有下降。矽灰石填充ABS不僅可以降低產品成本，而且不影響其在工程中的應用。當矽灰石填充率達到20%時，成本可降低15%。
關鍵詞:矽灰石，改性，填充，ABS。