不同品种碳酸钙填充PVC性能的研究_技术文献_资讯

不同品种碳酸钙填充PVC性能的研究

本文应用双螺杆挤出机制备PVC/CaCO3复合材料，再用注塑机注塑成型，检测样品力学性能，观察断面形貌，在相同的加工条件下，对比研究不同品种碳酸钙填充PVC后复合材料性能的变化规律，进而为工业应用提供相关基础。

1 实验

1.1试样

聚合度为1000左右的PVC粉料及加工助剂（常州双盛塑胶有限公司生产），粒度1.81μｍ的重钙、1.55μｍ的表面纳米包覆重钙、普通43μｍ轻钙及活性纳米钙（浙江长兴清华粉体及新材料工程中心有限公司提供）。复合钙1为上述重钙和纳米钙各为42和8Phr复合的碳酸钙，复合钙2为以上重钙、纳米包覆重钙以及纳米钙各为21，21和8Phr复合的碳酸钙（由浙江长兴清华粉体及新材料工程中心有限公司提供）。以上各类碳酸钙均经过铝酸酯改性。

1.2方法

为了研究不同品种碳酸钙在PVC中的填充效果，设置了基础配方，如表1。

表1配方设计

根据上述基础配方，按照下面3个步骤进行操作：1）将高搅机升温至70℃，然后把PVC粉料以及根据表1配置的助剂一起加入高搅机，高速搅拌15min除去物料的水分，擦干机器中的水后再将改性后的碳酸钙倒入，继续搅拌1min出料；2）将同向双螺杆挤出机的八段温度分别设置为155，160，165，172，171，170，165 和160℃，然后熔融共混、挤出造粒，接着把制得的粒子置于70℃ 的烘箱中烘干8h，最后将干燥后的粒子用注塑机在200～203℃下注塑成国标样条；３）用万能试验机检测复合材料样条的拉伸性能和弯曲性能，用简支梁冲击试验机检测样条的冲击性能，用SEM观察样条在受到外界冲击力后发生断裂的断面形貌。

2 结果与讨论

2.1复合材料的力学性能

从图1可以看出随着活性重钙填充量的增多，复合材料的拉伸强度呈现先升高再降低的趋势，在填充50Phr左右时拉伸强度有较大值。这是因为改性后的粉体表面为亲油疏水型，和有机物结合力增强。但是填充过多的活性钙，就会导致在树脂基体中形成较大的缺陷最终造成宏观开裂。

图1重钙的填充量对PVC/CaCO3复合材料拉伸强度的影响

图2是铝酸酯改性包覆钙填充PVC后复合材料的拉伸强度变化曲线，可以看出随着包覆钙填充量的增多，拉伸强度先增大后减小，填充量在50Phr左右时材料的拉伸强度较好。随着填料添加量的增多，包覆钙粒子形成的银纹和空穴越多，并且有效地阻止银纹继续扩展，同时刚性粒子产生的空穴也消弱了外力场的作用，越来越多的银纹和空穴使PVC基体的韧性达到峰值，继续增加填料，拉伸强度开始下降，这是因为过多的银纹会导致一些银纹相连变成较大的裂隙，而过多的空穴会导致一些空穴相连变成许多条空腔，这些裂隙和空腔使复合材料已经无法恢复形变，产生断裂。

图2包覆钙的填充量对PVC/CaCO3复合材料拉伸强度的影响

通过图1和2看出重钙和表面纳米包覆钙的最佳填充量均在50Phr左右，因此以该填充量对比研究重钙、包覆钙、轻钙、纳米钙、复合钙1和复合钙2填充纯PVC后对复合材料性能的影响，并且和PVC基体的性能进行对比。从图3看出，以上6种无机粉体经过铝酸酯偶联剂改性后填充 PVC均能起到增强增韧的作用，如果仅在填充效果方面进行比较，可以看出纳米钙最好，纳米包覆钙次之，复合钙2第3，复合钙1第4，重钙居第5位，轻钙最差。PVC基体的无缺口冲击强度为11.57kJ/m2，缺口冲击强度为8.137kJ/m2，纳米钙和包覆钙的填充效果最好，在图3a中纳米钙使PVC的拉伸强度增加了19%，包覆钙使PVC的拉伸强度增加了17%；图3b为不同品种的碳酸钙对PVC/CaCO3复合材料弯曲性能的影响图，明显看到碳酸钙粉体提高了复合材料的弯曲强度；图3c为多品种碳酸钙对PVC/CaCO3复合材料缺口冲击强度的影响，纳米钙使PVC的缺口冲击强度增加到3倍以上，纳米钙制得的复合材料缺口冲击强度达到28.94 kJ/m2，包覆钙使PVC的缺口冲击强度提高到近3倍，包覆钙制得的复合材料缺口冲击强度达到22.59 kJ/m2；在图3d中看到纳米钙和包覆钙制得复合材料的无缺口冲击强度是PVC基体的4倍以上，纳米钙制得的复合材料无缺口冲击强度达到54.05 kJ/m2，包覆钙制得复合材料的无缺口冲击强度达到51.67 kJ/m2，增韧效果十分明显这是因为在填料颗粒分散性相同的情况下，纳米钙在分散性良好的条件下，纳米钙粒子最小，产生的缺陷小，形成的空穴和银纹也最小，产生的应力集中也较小，从而改善了复合材料的机械力学性能；包覆钙有较少平整锐利的解理面，因此填入PVC基体中不会产生大的缺陷，表现为复合材料的力学性能提高；重钙填入高聚物后，其表面存在的尖锐解理面导致产生较大的缺陷；而轻钙易于团聚，填入有机物中也产生较大的应力集中；复合钙1的性能好于重钙而次于纳米钙；由于纳米钙和包覆钙填充效果较好，而重钙较差，因而复合钙2的填充性能比最好的无机填料差一点，而比最差的无机填料好一些，即比纳米钙和包覆钙差，比重钙要好，复合钙2略好于复合钙1，是因为包覆钙比重钙的填充效果要好。

图3粉体的种类对PVC/CaCO3复合材料拉伸、弯曲强度和有无缺口冲击强度的影响

2.2复合材料的SEM图像

为了考察不同品种的CaCO3经过改性后填充PVC制得复合材料表面形貌的变化，通过SEM进行微观研究PVC基体的形貌以及铝酸酯改性重钙、轻钙、包覆钙、纳米钙、复合钙1和复合钙2这6种粉体制得PVC复合材料的形貌，如图4所示。从图4a可以看出，PVC的颗粒比较平整，明显可以看出由多层粒子聚集成的树脂颗粒的轮廓；从图4b和4c看出重钙和轻钙填充PVC后形成的裂隙较大较多，形成的空穴也较大，有的缺陷部位还存在一些棱角，因此重钙和轻钙与PVC的相容性较差。从图4d看出包覆钙填充PVC后出现大量高低不平的圆润表面，其与树脂基体相容性较好，图4e为纳米钙填充PVC的形貌表征，该图片显示出大量高低不平大小不等的圆润表面，它和PVC基体的相容性最好。图4f为复合钙1制得复合材料的形貌，复合钙1由重钙和纳米钙组成，容易看出它的图片上所具有的高低不平的圆润表面或者较尖锐的表面数量位于重钙和纳米钙之间。同理，复合钙2由重钙、包覆钙、纳米钙组成，因此图4g中所具有的高低不平的圆润表面数量显然比纳米钙少而比重钙要多，通过SEM分析的结果与力学性能的检测结果相符。

图4不同种类CaCO3填充PVC基复合材料的形貌

3结论

1）不同品种的活性碳酸钙对PVC /CaCO3复合材料的力学性能有一定的影响，在实验条件相同的情况下，发现纳米钙和表面包覆钙的填充效果比其它几种粉体好，纳米钙使PVC的拉伸强度增加了19%，包覆钙使PVC的拉伸强度增加了17%，纳米钙制得复合材料的无缺口冲击强度甚至达到PVC基体的4倍以上，为54.05kJ/m2包覆钙制得复合材料的无缺口冲击强度也达到PVC基体的4倍以上，为51.67kJ/m2纳米钙使PVC的缺口冲击强度增加到3倍以上，达到28.94 kJ/m2，包覆钙使PVC的缺口冲击强度提高到近3倍，达到22.59 kJ/m2；复合材料的弯曲强度也得到了提高，而复合钙的填充效果居中，重钙和轻钙最差。
2）通过SEM检测发现品种不同的填料填充PVC后，PVC原来平整而多层次的颗粒轮廓发生了变化，纳米钙和包覆钙形成高低不平而圆润的表面数量最多和塑料基体相容性最好，形成最少的缺陷，复合钙比这两者差，重钙和轻钙最差，重钙和轻钙呈现较多的裂纹和空穴。

来源：中国粉体技术网