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聚丙烯(PP)是五大通用塑料之一,具有价格低廉、易于成型加工、产品综合性能优异等特点。但它最大的缺点是冲击性能差,低温易脆断,限制了聚丙烯的进一步应用。近年来,采用无机刚性粒子增韧改性聚丙烯成为了研究的热点。为了提高增韧效果,需要对无机粒子进行表面改性。据文献报导庚二酸与某些金属盐类可以组成聚丙烯β晶成核剂,本文采用庚二酸作为表面处理剂,对碳酸钙、硅灰石、云母和叶腊石这四种不同类型的无机粒子进行表面处理,并填充改性聚丙烯,期望能够生成庚二酸盐类β晶成核剂,对聚丙烯的力学性能产生有利的影响。采用傅立叶红外光谱仪(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)研究了无机粒子经过庚二酸处理前后所发生的变化,通过示差扫描量热仪(DSC)、广角X射线衍射仪(WAXD)、扫描电子显微镜和偏光显微镜(PLM)研究了经过庚二酸处理过的无机粒子对聚丙烯结构与性能的影响。
FTIR的结果表明,碳酸钙经过庚二酸处理后,在1050cm-1处出现了一个吸收峰,这是C-O单键的吸收峰,而未处理的碳酸钙在这个位置上并没有吸收峰,说明庚二酸与碳酸钙发生了化学反应。DSC、WAXD和PLM的结果都表明庚二酸处理碳酸钙的加入在聚丙烯中引发了大量的β晶。当庚二酸处理碳酸钙的含量为5%时,β晶相对含量(KWAXD)为73.17%。产生大量β晶的原因是庚二酸与碳酸钙反应所生成的庚二酸钙是一种非常有效的β晶成核剂。DSC结晶曲线表明当聚丙烯中加入碳酸钙(无论是未处理还是经过庚二酸表面处理)后,复合材料的结晶峰峰形变得更加尖锐,同时向高温方向移动,说明碳酸钙可以提高聚丙烯的结晶速率。而经过庚二酸处理过的碳酸钙可以更加显著的提高聚丙烯的结晶速率。SEM的结果表明聚丙烯/庚二酸处理碳酸钙复合材料中碳酸钙的分布较为均一,与聚丙烯基体之间的粘结力增强,碳酸钙与聚丙烯的相容性也得到了改善。力学性能的结果表明聚丙烯/庚二酸处理碳酸钙复合材料的力学性能得到了显著的提高,尤其是复合材料的缺口冲击强度,最高达到了19.79kJ/m2,是纯聚丙烯的5.11倍。冲击性能提高的原因是大量的聚丙烯β晶和聚丙烯与碳酸钙相容性得到改善协同作用的结果。
硅灰石本身就是一种聚丙烯β晶成核剂,但是成核能力有限。DSC、WAXD和PLM的结果都表明庚二酸处理过的硅灰石诱导聚丙烯产生了更多的β晶。之所以能够产生大量的β晶是因为庚二酸与硅灰石中的硅酸钙反应所生成的庚二酸钙是一种非常高效的聚丙烯β晶成核剂。DSC的结果还表明硅灰石也具有加快聚丙烯的结晶速率和提高结晶温度的作用,而经过庚二酸处理后效果更加明显。SEM的结果表明庚二酸改善了硅灰石与聚丙烯基体之间的相容性。聚丙烯/庚二酸处理硅灰石复合材料的缺口冲击强度也得到了显著提高,最大值为17.33kJ/m2,是纯聚丙烯的4.48倍。大量β晶的存在和硅灰石与聚丙烯的相容性得到改善是复合材料韧性提高的主要原因。
庚二酸处理云母的FTIR结果表明,庚二酸中C=O的吸收峰从1700cm-1处移动到1720cm-1处,说明庚二酸与云母反应生成了一种新的配合物。DSC、WAXD和PLM的结果表明庚二酸处理过的云母诱导聚丙烯产生了大量的β晶。当庚二酸处理云母的含量为2.5%时,β晶含量最高,KWAXD为85.64%。由于庚二酸镁是一种成核能力较弱的β晶成核剂,因此如此大量的β晶可能是庚二酸与云母反应所生成的配合物引发的。SEM的结果表明庚二酸改善了云母与聚丙烯的相容性。聚丙烯/庚二酸处理云母复合材料的力学性能也有所提高,复合材料的冲击强度最高达到了32.43kJ/m2。大量的聚丙烯β晶的存在和聚丙烯与云母的相容性提高,是冲击强度大幅提高的主要原因。
叶腊石本身是一种非常有效的聚丙烯α晶成核剂,与前面三种填料不同的是庚二酸处理过的叶腊石没有在聚丙烯中引发大量的β晶,还是以α晶为主。WAXD结果表明叶腊石能够使聚丙烯沿着α晶的b轴取向,但是经过庚二酸处理过后,聚丙烯的取向程度下降。SEM的结果表明聚丙烯与叶腊石之间的相容性并没有因为庚二酸的处理而改善。聚丙烯/叶腊石复合材料的冲击强度没有明显改善。