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聚氯乙烯/粉煤灰复合材料的制备与性能研究
文章作者admin: 时间:2020-11-23 22:09
聚氯乙烯/粉煤灰复合材料的制备与性能研究
                                   宇平1 章于川1,2
    ( 1. 安徽大学化学化工学院,合肥, 230039; 2. 安徽安大中鼎橡胶技术开发有限公司,合肥, 230088)
    摘要:制备了聚氯乙烯/粉煤灰复合材料,研究了粉煤灰的不同表面处理方式对共混物的力学性能和耐温性能的影响。结果表明: 湿法处理粉煤灰的效果最好,不做处理的效果最差; 粉煤灰会降低PVC材料的缺口冲击强度; 添加5 份处理过的粉煤灰可以提高PVC 材料的拉伸强度; 添加粉煤灰可以提高PVC 材料的弯曲强度和弯曲模量,同时,耐温性也有一定的提高。
    关键词:聚氯乙烯 粉煤灰 复合材料 力学性能 耐温性
    粉煤灰主要来自于火力发电厂煤渣燃烧后所排放出来的细灰状残留物,主要成分包括SiO2、Al2O3及Fe2O3等,是一种球形颗粒形状、质量轻、化学性质稳定、耐高温并且价格十分便宜的无机填料。我国是产煤大国,随着能源工业的快速发展,粉煤灰的排放量日益增加,若其直接排放到大气中会严重污染环境。粉煤灰作为填料使用具有滚珠轴承效应,可以改善填充体系的加工流动性。粉煤灰已经在农业、塑料、橡胶、建材、道路及建筑工程等领域得到了广泛的应用[1 - 4]。
    聚氯乙烯( PVC) 是产量仅次于聚乙烯( PE)的第二大通用塑料,具有较好的耐腐蚀、阻燃、绝缘及综合力学性能,通过配方调整、添加增塑剂,可制成软塑料、弹性体以及透明制品,广泛地应用于农业、工业、建筑、包装等领域[5 - 7]。但由于其结构上的缺陷致使PVC 制品存在韧性差、维卡软化温度低、热稳定性差等问题,从而使其应用领域受到了很大限制。
    填充改性[8]是塑料改性的基本手段之一,通过在基体树脂中添加粉煤灰填料,不但可以大大降低企业的生产成本,而且可以减少粉煤灰对环境造成的污染。另外,粉煤灰与基体树脂的相容性不好,若粉煤灰不做表面处理会使得粉煤灰与基体的界面成为复合材料的薄弱环节[9]。本文主要研究了不同方法处理粉煤灰,然后填充到PVC材料中,对PVC 材料性能产生的影响。
    1· 实验部分   1. 1 实验原料
    PVC 粉末状树脂,SG - 5,电石法制备,安徽池州飞扬化工有限公司; 复合稳定剂,工业品一级,安徽池州飞扬化工有限公司; 粉煤灰,1250目,常州市博采化工有限公司; 无水乙醇,上海振企化学试剂有限公司; 硅烷偶联剂,KH - 550,南京优普化工有限公司; 硬脂酸锌( ZnSt) 、硬脂酸钡( BaSt) 、硬脂酸( HSt) 、石蜡等加工助剂均为市售工业级产品。
    1. 2 实验仪器及设备
    SJ - 30X25B 型单螺杆挤出机,上海挤出机械厂; SHR - 50A 型高速混合机,张家港市华明机械有限公司; R - 3202 型实验用小型热压机,武汉启恩科技发展有限公司; JK300B 型超声波清洗器,合肥金尼克机械制造有限公司; 马福炉,合肥强瑞节能环保机电设备有限公司; ZBC1400 型摆锤冲击实验机,深圳市新三思材料检测有限公司;XRW - 300H 型热变形维卡软化点温度测定仪,承德鑫马测试仪器有限公司; UTM - 2000 型微机控制电子万能试验机,深圳市新三思材料检测有限公司; SCS - 1000 型WSM - ( 20KB) 计算机控制电子万能试验机,长沙市智能仪器设备有限公司。
    1. 3 实验配方
    表1为PVC ∕粉煤灰复合材料基本配方。
              
    1. 4 粉煤灰的表面处理
    ( 1) 称取3 份相同质量并且经过烘干的粉煤灰,其中1 份不做任何处理,备用,另外2 份分别采取干法处理和湿法处理。
    ( 2) 干法处理即将一定量粉煤灰倒入高速混合机中,边混合边直接滴加粉煤灰量的2% 的KH- 550 偶联剂至混合均匀,最后取出备用。
    ( 3) 湿法处理即先用烧杯将粉煤灰量1. 5%的KH - 550 偶联剂与适量无水乙醇( 大约每0. 3 gKH - 550 用150mL无水乙醇溶解) 配成溶液,把粉煤灰浸渍于其中,再将烧杯放在在超声波清洗器中边超声边搅拌充分混合1 h,最后将其放入烘箱中于110℃ 下再烘5 h以上直至烘干,再进行过筛处理,备用。
    1. 5 试样的制备
    将PVC 和加工助剂分别与未做任何处理、干法处理及湿法处理的粉煤灰按照一定比例在高速混合机中于室温下混合8min,至混合均匀。接着把混合好的物料投入到挤出机当中进行挤出造粒,其中挤出各区段温度依次设置为173℃、175℃、178℃、180℃、175℃。最后挤出的共混复合材料被切碎成颗粒状,经干燥后用小型热压机先预热3min,再在10MPa下预压5min,最后加压到20MPa下模压5min,保持压力通水冷却至室温后取出标准样条,热压温度始终为180℃。测试样条( 拉伸、缺口冲击、弯曲及维卡软化点等测试用样条) 经过修边、打磨处理,每组分别测试5 个拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲模量及维卡软化点等测试用样条,最终结果取其平均值。试样制备工艺路线如图1 所示。
              
    1. 6 样品性能测试与表征
    缺口冲击强度按照GB /T 1043 - 93 测试,温度为23℃,V 型缺口,试样尺寸为80mm × 10mm ×4mm,缺口深度为2mm。
    拉伸性能按照GB /T 1040 - 92 测试,温度为23℃,试样为哑铃型,厚度为2mm,宽度为4mm,拉伸速率为50mm/min。
    弯曲强度和弯曲模量按照GB /T 1042 - 79 测试,温度为23℃,试样尺寸为80mm × 10mm ×4mm,下压速率为2. 0mm/min。
    负荷热变形按照GB /T 1634. 2 - 2004 测试,加于试样上的弯曲应力为1. 81 N/mm2,砝码质量为201 g,升温速率为120℃ /h。
    维卡软化温度按照GB/T 1633 - 2000 测试,定义为: 将热塑性塑料放入液体传热介质中,在一定的负荷和一定的等速升温条件下,试样被1mm2 的压针头压入1mm深度时的温度。维卡软化温度是材料耐热性的反映,维卡软化温度越高,表明材料受热时的尺寸稳定性越好,热变形越小,即耐热变形能力越好,刚性越大,模量越高。本章选择的试验方法为A120 法,使用砝码质量为1 kg,升温速率为120℃ /h,试样尺寸为10mm ×10mm ×4mm。
    2· 结果与讨论
    2. 1 粉煤灰填料填充PVC 的抗冲击强度
    图2 为经过不同方法表面处理且不同质量含量的粉煤灰对共混物缺口冲击强度的影响。由图2 可以看出,无论粉煤灰经过怎样的处理,随着粉煤灰含量的增加,共混物的缺口冲击强度都呈下降的趋势,不添加粉煤灰的PVC 材料缺口冲击强度为2. 76 kJ /m2,当添加25 份干法处理的粉煤灰时,共混物的缺口冲击强度降为2. 01 kJ /m2 ; 当添加25 份湿法处理的粉煤灰时,共混物的缺口冲击强度降为2. 15 kJ /m2。这主要原因为无机填料的加入使得界面缺陷增多。同时,粉煤灰经过干法和湿法处理的材料冲击性能要优于未做处理的,并且湿法处理比干法处理的效果更好,说明表面处理能够改善两相界面之间的相容性,提高了两相表面粘结性。
              
    2. 2 粉煤灰填料填充PVC 的拉伸强度
    图3 为经过不同方法表面处理且不同质量含量的粉煤灰对共混物拉伸强度的影响。由图3 可以看出,不经过表面处理的粉煤灰填充PVC 材料时的拉伸强度随着粉煤灰含量的增加而呈下降趋势。用干法和湿法处理粉煤灰再填充到PVC 材料时,共混物的拉伸强度在添加5 份时出现最大值之后呈下降趋势。在含有5 份粉煤灰时,干法处理的拉伸强度为49. 2MPa,比不加粉煤灰的PVC 材料提高了1. 3%。此时,湿法处理的拉伸强度为51. 12MPa,比不加粉煤灰的PVC 材料提高了5. 3%。由于未处理的粉煤灰是惰性填料,界面相容性差,而经过表面处理,特别是表面能够被很好改性的湿法处理的粉煤灰,避免了在受到外力作用时粉煤灰直接从PVC树脂基体中脱粘,可以承担部分载荷,从而适当添加可以增加材料拉伸强度。
              
    2. 3 粉煤灰填料填充PVC 的弯曲强度
    图4 和图5 分别为经过不同方法表面处理且不同质量含量的粉煤灰对共混物弯曲强度和弯曲模量的影响。由图4 和图5 可以看出,在粉煤灰25 份含量以内,无论哪种表面处理方法,都能使PVC 材料的弯曲强度和弯曲模量随着粉煤灰含量的增加而增大,湿法处理的效果最好,不做任何处理的效果最差。采用干法处理的25 份粉煤灰的弯曲强度和弯曲模量分别为51.17MPa 和1.43 GPa,比不加粉煤灰的PVC 材料分别提高了22.8%和21. 2%。添加25 份采用湿法处理的粉煤灰的弯曲强度和弯曲模量分别为52.18MPa和1.52 GPa,比不加粉煤灰的PVC 材料分别提高了25.3%和28.8%。
            
            
    2. 4 粉煤灰填料填充PVC 的耐温性能
    表2为经过不同方法表面处理且不同质量含量的粉煤灰对共混物维卡软化温度和负荷热变形温度的影响。

    由表2可以看出,粉煤灰可以略微提高共混物的耐温性能,并且经过表面处理的PVC /粉煤灰共混物提高更为明显,添加25 份湿法处理粉煤灰的共混物维卡软化点和负荷热变形温度分别为88. 2℃和72. 7℃,相比不加粉煤灰的PVC 材料分别提高了1. 4℃ 和2. 5℃。这主要是因为粉煤灰本身是一种耐高温的无机填料。
    3 ·结论
    ( 1) 在不同方法改性粉煤灰中,用湿法处理的效果最好,干法处理的次之,不做处理的最差。
    ( 2) 在PVC 材料中添加粉煤灰,会使得PVC /粉煤灰共混物的缺口冲击强度降低。添加量越多,降低越明显。在PVC 中添加少量的粉煤灰会使得材料的拉伸强度得到提高,在添加25 份以内,随着粉煤灰含量增加,共混物的弯曲强度和弯曲模量逐渐增加。
    ( 3) 粉煤灰可以略微提高PVC /粉煤灰共混物的维卡软化温度和负荷热变形温度。
参考文献
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