聚氯乙烯(PVC)是一大类综合性能优良的通用塑料, 但PVC 作为硬制品不能广泛应用作结构材料, 主要是PVC 冲击性能差, 因此, 对PVC 进行增韧改性, 开发高强高韧PVC , 以促进这类塑料工程化是一项重要研究课题。
意义

硅灰石是一种天然短纤维新型矿物, 具有吸湿性小, 热稳定性好, 表面不易划伤等优点, 用它填充聚合物, 具有快速分散性和低的粘度, 在提高拉伸强度和挠曲强度方面针状硅灰石优于其他无机填料, 广泛应用于汽车和建筑行业。我国硅灰石矿产资源丰富, 研究硅灰石在塑料中的应用, 对开发这一优质矿物有着现实意义。

本研究选用两种粒径的硅灰石刚性粒子为填料,采用甲基丙烯酸甲酯(MMA)对硅灰石进行针状硅灰石粉化学包覆以改善相容性, 考察了共混体系的力学性能并对针状硅灰石粉增韧机理作了探讨。

甲基丙烯酸甲酯包覆硅灰石及其表征

在偏光显微镜下观察, 硅灰石刚性粒子形状呈纤维状、片柱状及立方体状, 一次粉碎粒子粒径分布较宽, 二次粉碎粒子粒径分布相对均匀。硅灰石的表面改性处理:称取一定量的硅灰石粉置于三口烧瓶中, 按比例加入水和MMA , 剧烈搅拌, 慢慢升温至70 ～ 75 ℃, 按单体量加入0 .6 %～ 0 .7 %的水溶性引发剂, 反应一段时间后过滤。在120 ℃烘箱中干燥至恒重后备用。红外光谱分析:取上述反应过滤后的适量硅灰石粉,经无水乙醇和85 ℃蒸馏水抽滤各三次, 在120 ℃烘箱中干燥至恒重后和干燥的未改性硅灰石粉分别进行红外光谱分析 。可以看出处理过的硅灰石粉在波数为1 729 cm-1处出现了明显的羰基伸缩振动吸收峰, 证实了硅灰石表面包覆了结合紧密的PMMA 
注塑成型

前段温度:180 ℃;中段温度:175 ℃;后段温度:165 ℃;注塑压力:60 MPa ～ 70 MPa ;冷却时间:15 ～60 s;保压时间:15 ～ 40 s 。

性能测试

①按GB1040 —92 塑料拉伸试验方法测定硅灰石/PVC 样条的拉伸强度。实验速度为10 mm/min 。

②按GB1048 —93 塑料简支梁冲击试验方法测定硅灰石/PVC 样条的简支梁冲击强度。

③按GB1042 —79 塑料弯曲试验方法测定硅灰石/PVC 样条的弯曲强度。实验速度为25 mm/min 。

④在透射电子显微镜(TEM)上观察试样的相结构, 样品为注射样条沿熔体流动方向取样。

⑤在扫描电子显微镜(SEM)上观察试样内部形貌, 样品为注射样条常温冲击断面, 表面喷金观察。

结果与讨论

改性的与未改性的两种硅灰石刚性粒子在考察范围内都提高了复合体系的冲击强度, 但改性粒子较未改性粒子提高幅度大。Darilyn HRobertsh和贺昌城的研究也表明, 硅灰石能提高复合物的韧性。在本体系下, 一次改性粒子在填充量为20 份时, 冲击强度最大值为8 .3 kJ/m2 , 二次改性粒子在填充量为50 份时, 冲击强度最大值为9 .1 kJ/m2 , 与未填充粒子的体系相比分别提高108 %和128 %。同时还表明, 一次粉碎未改性硅灰石刚性粒子总体上比二次未改性粒子利于增韧, 因为一次粉碎粒子粒径较大且分布宽, 大粒径的纤维晶体、片柱状粒子在熔体流动中更易于取向, 有助于贯穿基体, 传递应力, 终止裂纹扩展;但同时粒径大, 表面缺陷也多, 易形成不能有效终止的大裂纹, 不易实现高填充;二次粉碎硅灰石刚性粒子粒径小且相对均匀, 如果表面未经改性处理, 在PVC 基体树脂中更易形成疏松团聚体, 比直接使用和团聚体尺寸同样大小的粗粒径粒子的力学性能更差,而粒子经表面改性处理表面包覆PMMA 后, 粒子在PVC 基体树脂中均匀分散, 粒子与基体间相容性良好,将基体与粒子结合成一个整体, 调节了界面内应力从而减缓了应力集中, 冲击韧性逐渐提高, 在填充量较高时达最大值。

硅灰石刚性粒子改善了体系的拉伸强度, 这主要是硅灰石纤维晶体在熔体流动中取向的贡献。未改性粒子在基体中形成的弱界面多, 受拉伸力时, 粒子与基体间、粒子与粒子间易滑脱, 故拉伸强度低一些。粒径小而均匀的改性硅灰石粒子更能提高拉伸强度, 因为改性粒子在基体中界面结合良好, 受拉伸应力时, 内部摩擦力大所致;在进行拉伸力学性能测试时, 30 份以前的复合物样条具有比纯PVC 大得多的断裂伸长率, (ε)大于200 %。拉伸强度随填料量的

增加先增大而后逐渐减小。

 二次粉碎未改性硅灰石刚性粒子导致弯曲强度降低, 而改性粒子能提高弯曲强度。这是因为改性硅灰石粒子表面的PMMA 填补了硅灰石表面的孔洞、沟槽等缺陷的结果。随改性填料量的增加弯曲强度先增大而后逐渐减小。以上结果表明, 二次粉碎改性硅灰石刚性粒子比一次粉碎改性粒子具有更均衡的力学性能, 易实现高填充。所以, 下面对二次粉碎硅灰石刚性粒子填充体系进行机理探讨和相态、形貌观察分析。