硅灰石填充改性尼龙1212复合材料的制备wollastonite

摘要：利用偶联剂对硅灰石表面进行处理，制备了硅灰石粉填充改性尼龙1212复合材料。研究了偶联剂用量和硅灰石含量对复合材料力学性能的影响，分析了硅灰石填充对复合材料热变形温度和热膨胀系数的影响。结果表明，加入质量分数1.0%的KH-550型硅烷偶联剂，当硅灰石的质量分数为40%时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度较尼龙1212提高了11%和64%，冲击强度基本保持不变．同时，复合材料的热变形温度提高了93%，热膨胀系数有明显的降低，吸水率下降了55%，材料尺寸稳定性有明显提高．

 硅灰石是钙的偏硅酸盐类矿物，结构式为Ca3[ Si309]。硅灰石具有良好的俞电性能、低吸湿性、低黏度、较高的耐热性和快速分散等功能填料的特点，因此被广泛应用于橡胶、塑料、造纸、陶瓷、涂料等行业。近年来，它与高分子材料的复合改性应用尤为突出.本文利用新型长碳链尼龙1212作为基体树脂，硅灰石粉作为填充材料，制备了尼龙1212/硅灰石复合材料，旨在降低生产成本，提高材料的强度、耐热性、尺寸稳定性和耐磨性。

l实验部分

1.1原料及试剂

硅灰石：针状粉(800 mesh)，新余市南方硅灰石实业公司；尼龙1212:山东淄博广通化工有限公司，相对黏度为1. 33 (200 0C);偶联剂：KH-550南京曙光化工集团。

1.2主要仪器设备

 高速混合机：SHR-5型，张家港瑞达机械制造厂；双螺杆挤出机：TE-34型，南京科亚塑料机械有限公司；精密注塑机：F80WZ型，宁波海天塑料机械有限公；{wn}制样机：HY-W型，河北承德实验机厂；臂梁冲击试验机：XCJ型，吉林大学科教仪器厂；力学性能{wn}试验机：CMT5104，深圳新三思有限公司；AVS微机控制热变形维卡软化试验机，美特斯工业系统中国有限公司；ZRPY-300热膨胀系数测定仪，湘潭市仪器仪表有限公司。

1.3复合材料的劁备

1. 3.1硅灰石粉的表面改性：将偶联剂和无水乙醇按1.5的体积比配成溶液待用。将带有温控设施的高速混合机升温至80℃;然后加入经110℃哄干10h的硅灰石，高速搅拌5min，再把配好的偶联剂溶液慢慢加入盛有硅灰石的高速混合机中，高速混20min，稍冷后取出备用。

1.3.2尼龙1212/硅灰石复合材料的制备：将80℃真空干燥12h后的尼龙1212、经偶联剂处理好的硅灰石及其他助剂按一定比例在高速混合机中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中进行熔融共混、挤出造粒，{zh1}用注塑机制成标准样条，挤出工艺和注塑工艺条件见Tab.1和Tab.2。

1.4性能测试

将样条烘干后，按GB/T 2918-1998对样条进行状态调节，并处于实验环境下。按GB/T 1040-1992测试拉伸强度、断裂伸长率，拉伸速度20mm/min;按GB/T 9341-1988测试弯曲强度、弯曲模量，测试速度2mm/min;按GB/T  1843 - 1996测试悬臂梁缺口冲击强度；按GB/T  1634- 2004测试热变形温度，负荷为1. 86MPa;按GB/T 1036-1989测试样条的线膨胀系数，升温速率2K/min，升温范围室温到150 ℃;按GB/T 1034-1998测试制品的吸水率。

1.5表面形貌观察

 将尼龙1212/硅灰石复合材料试条放在液氮中进行脆断，然后截取长度为2mm一3mm的试样（截取过程中注意保护好断面，防止粘上碎屑），在断面处镀金.JSM-6700F型扫描电子显微镜（日本JEOL）对其断面进行观察，分析复合材料的微观结构形态。

2结果与讨论

2.1偶联剂用量对复合材料力学性能的影响

偶联剂用量对复合材料力学性能的影响见Tab.3。由Tab.3可以看出，在硅灰石填充量相同的情况下，经过偶联剂处理的复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都有所提高。偶联剂可以与硅灰石表面的羟基以及尼龙1212表面的羧基分别发生反应，相当于起到“桥梁”的作用，从而提高尼龙1212和硅灰石的相容性，进而提高复合材料的力学性能。但当偶联剂质量分数达到1.5%时，由于偶联剂的用量超过了界面反应基团的量，多余的偶联剂成为无效组分，反而使复合材料的力学性能有所下降。因此偶联剂的质量分数为1.0%时，复合材料的力学性能较优。

2.2砝灰石含量对复合材料力学性能的影响

硅灰石含量对复合材料拉伸强度、弯曲强度及冲击强度的影响见Tab.4。从Tab.4可以看出，硅灰石质量分数达到40%以前，随着硅灰石含量的逐渐增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度在逐渐提高。分析认为，经过表面偶联剂处理过的硅灰石与基体树脂的界面粘接强度增大，同时硅灰石自身的刚性较高，限制了其在基体树脂中的分子运动，在受到外力作用时不易产生形变，从而能提高复合材料的拉伸强度和弯曲强度。而缺口冲击强度则随着硅灰石含量的增加有所下降，但下降幅度较小，仍能保持基体树脂的韧性。当硅灰石质量分数超过40%后，材料的力学性能开始大幅下降。这表明，当硅灰石质量分数超过40%后，基体树脂的连续相被破坏，无机填料出现团聚现象，拉伸、弯曲及冲击强度开始下降。

试验表明，硅灰石的加入对提高尼龙1212的力学性能有明显的作用，且在一定范围内，基体树脂中硅灰石含量越高，其增jx果越明显，40%的硅灰石是硅灰石在树脂基体中的临界含量。

2,3硅灰石含量对复合材料热变形温度的影响

 从Fig.1可以看出，硅灰石的加入对复合材料的热变形温度有较大影响，随着硅灰石含量的增加，夏合材料的热变形温度逐渐升高，当硅灰石的质量分数为50%时，复合材料的热变形温度为93℃。

2.4硅灰石含量对复合材料热膨胀系数的影响

  由Fig.2可以看出，随着温度的上升，尼龙1212及其复合材料的热膨胀系数均为先升高而后降低。通过对比可以看出，随着硅灰石含量的增加，复合材料的热膨胀系数呈现逐渐降低的趋势，分析认为硅灰石与

尼龙1212相比具有更好的耐热性和更低的热膨胀系数。因此当复合材料受热后，高分子链段的热运动不但要克服相邻分子链之间的内聚力，而且还要克服无机刚性粒子与高分子链之间的摩擦力。因此经复合后，基体树脂的高分子链段运动减弱，复合材料的热膨胀系数降低。

 2.5硅灰石含量对复合材料吸水性的影响

    从Fig.3看出，随着硅灰石含量的增加，复合材料的吸水率逐渐降低，尤其是当硅灰石的质量分数为50%时，复合材料的吸水率降到了0,1%以下，说明硅灰石的加入极大地降低了复合材料的吸水率，复合材科的尺寸稳定性有较大提高。

2.6复合材料冲击缺口的微观形貌 

   由Fig.4可以看出，当硅灰石的质量分数为50%时，复合材料的断面已经出现了硅灰石颗粒的团聚，这说明随着硅灰石填充量的增加，硅灰石颗粒在尼龙1212中的分散性变差，复合材料的力学性能因此下降，这与试验所取得的数据是一致的  ．

3结论

 采用KH -550型硅烷偶联剂处理硅灰石粉，偶联剂的质量分数为1.0%时，复合材料的力学性能较优。当硅灰石的质量分数为40%时，尼龙1212/硅灰石复合材料的综合力学性能较优，拉伸、弯曲和弯曲模量较尼龙1212分别提高了11%、64%和153%，缺口冲击强度没有明显下降。同时，复合材料的热变形温度提高了93%，热膨胀系数也有明显的降低，复合材料的吸水率已经降到0.10%左右，材料尺寸稳定性有明显提高。