北汽BJ40保險(xiǎn)桿（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）
PP作為五大通用塑料之一，由于其具有超高的“性價(jià)比”，被廣泛的應(yīng)用于家電、汽車、包裝領(lǐng)域。其中，在汽車領(lǐng)域更有代替ABS等其他工程塑料的趨勢(shì)，如汽車保險(xiǎn)杠、儀表臺(tái)、車門內(nèi)護(hù)板等。并且，隨著新能源汽車的發(fā)展，汽車輕量化、“以塑代鋼”的發(fā)展趨勢(shì)已成為必然。這對(duì)高性能的PP填充復(fù)合材料要求更高。
如何獲得高性能PP填充復(fù)合材料，界面優(yōu)化才是關(guān)鍵！那么，接下來，小編就給大家談?wù)勗?span style=";">PP填充改性的時(shí)候，復(fù)合材料的界面如何優(yōu)化？填料的表面處理劑如何選擇？
一、PP填充改性
PP填充改性：是指以PP樹脂為基體，添加一定比例的有機(jī)或無(wú)機(jī)的填料，并輔以助劑，通過混煉、擠出和造粒制得改性PP粒子的過程。其中無(wú)機(jī)填料有CaCO3、滑石粉、BaSO4等，有機(jī)填料有木粉、竹粉、秸稈等。
無(wú)機(jī)填料可改善PP的耐熱性、剛性、表面硬度和制品的尺寸穩(wěn)定性。此外，納米級(jí)填料還可以改善PP樹脂的低溫韌性。如滑石粉改性PP的汽車保險(xiǎn)杠，BaSO4填充改性PP的高光家電外殼等。
有機(jī)填料耐熱性較差，但是可以提高PP制品的尺寸穩(wěn)定性、大幅降低制品的生產(chǎn)成本。目前大多是生物質(zhì)復(fù)合材料，如木塑等產(chǎn)品。
二、PP填充改性技術(shù)瓶頸
由于這些填料表面具有大量的極性基團(tuán)，特別是有機(jī)填料，與非極性PP基體相容性較差。雖然，制品的成本得以降低，但是使用性能較差。很難滿足高性能材料的使用要求。目前，PP填充改性的技術(shù)瓶頸：
1、 填料和基體樹脂的極性相差較大，復(fù)合體系中兩相的相容性較差，“界面厚度”不夠，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能降低，特別是拉伸性能。
2、 隨著無(wú)機(jī)剛性粒子增韌PP的研究，更多納米級(jí)粒子被應(yīng)用到PP增韌改性中，如汽車用保險(xiǎn)杠（PP+EPDM+20%滑石粉）。這樣，具有高表面能的納米粒子在樹脂基體中，如果分散不好，就會(huì)團(tuán)聚，喪失納米效應(yīng)，影響復(fù)合材料的使用性能。
目前，解決上述問題的辦法，就是通過對(duì)填料進(jìn)行表面處理，改善粒子的表面極性，制得具有“核-殼結(jié)構(gòu)”的功能性填料。
核殼結(jié)構(gòu)包覆示意圖（來源網(wǎng)絡(luò)）
一方面可改善填料與樹脂之間的相容性，增大復(fù)合體系中兩相的“界面厚度”。另一方面，減弱粒子之間的作用，防止團(tuán)聚，使得填料可以均勻的分散在樹脂集體中，形成“海-島”結(jié)構(gòu)。
海-島結(jié)構(gòu)復(fù)合體系示意圖（來源網(wǎng)絡(luò)）
目前，常用的表面處理劑有三類：表面改性劑、偶聯(lián)劑和相容劑。所以，要想制得高性能的PP填充復(fù)合材料，聚合物—填料之間的界面狀態(tài)較為關(guān)鍵。
三、高性能PP填充復(fù)合材料的界面優(yōu)化
分別以硬脂酸、氨基硅烷偶聯(lián)劑和PP-g-MAH（PP接枝馬來酸酐）為例，分析這三種表面處理劑對(duì)滑石粉填充改性PP復(fù)合體系性能的影響。
體系的流變性分析復(fù)合材料中兩相間的界面狀態(tài)
界面改性對(duì)于填充聚合物復(fù)合體系流變行為的影響常常是雙重的。填料的表面處理能夠減少顆粒與顆料間的相互作用，因而填料粒子在基體中的分散能夠得到改善并引起復(fù)合體系熔體粘度的下降。然而，當(dāng)表面處理能夠增強(qiáng)聚合物填料之間的相互作用時(shí)，又會(huì)促進(jìn)熔體粘度的提高。
（1）硬脂酸一類的表面改性劑包覆時(shí)，表面活性劑的極性基團(tuán)被吸附在填料表面上，同時(shí)其脂肪鏈一端向外，沿著垂直于填料顆粒表面的方向排列，形成一個(gè)薄的包覆層。這種包覆層可以調(diào)整填料表面的物理化學(xué)環(huán)境，減少填料粒子的聚集，促進(jìn)其分散。然而，由于這類表面活性劑的脂肪鏈不能與基體反應(yīng)，其長(zhǎng)度也不足以與PP分子產(chǎn)生有效的纏結(jié)，因此這樣的包覆層通常導(dǎo)致較弱的基體—填料粒子界面粘結(jié)。在剪切流動(dòng)條件下，這種包覆層具有潤(rùn)滑效果，使聚合物分子鏈的滑動(dòng)阻力小于填料粒子未經(jīng)處理的情況。因此，具有最低的熔體粘度是硬脂酸包覆層的存在所帶來的粒子間相互作用減弱和基體與粒子間潤(rùn)滑效應(yīng)的結(jié)果。
硬脂酸結(jié)構(gòu)式
（2）PP-g-MAH它的酸酐基團(tuán)可與滑石粉表面極性基團(tuán)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，而其主鏈則可與基體大分子相互纏結(jié)。因此，填料顆粒在體系中起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用。PP大分子的運(yùn)動(dòng)受到到這些填料顆粒的阻礙，從而導(dǎo)致熔體粘度的提高。
PP-g-MAH
（3）氨丙基三甲氧基硅烷中的硅烷基可與加工過程中PP主鏈上形成的羰基反應(yīng)，從而在基體主鏈和填料粒子之間形成化學(xué)連接。由于PP主鏈上形成的羰基不可能很多，而硅烷本身的分子鏈又很短，不能與PP大分子相互纏結(jié)。
氨丙基三甲氧基硅烷
所以，三者處理填料后，復(fù)合體系中的界面厚度：PP-g-MAH＞硅烷＞硬脂酸。
艾邦總結(jié)
小編認(rèn)為，在PP的的填充改性中，選擇不同的表面處理劑，原理是一樣的，但是對(duì)復(fù)合體系界面的狀態(tài)確有很大區(qū)別。
1、 普通的表面改性劑，雖然可以改善填料的表面極性，提高分散性和流動(dòng)性，但是兩相之間的連接性較差，材料的力學(xué)性能較差，特別是拉伸強(qiáng)度較低；
2、 硅烷類偶聯(lián)劑，一方面可以與填料表面形成化學(xué)鍵，另一方面可以與基體形成一定強(qiáng)度的化學(xué)吸引，但是由于分子結(jié)構(gòu)較短，無(wú)法與基體大分子鏈纏繞，兩相界面鏈接性較強(qiáng)，材料的力學(xué)性能較好。
3、 對(duì)于極性基團(tuán)接枝類的聚合物，由于極限基團(tuán)可與無(wú)機(jī)填料形成化學(xué)鍵連接，并且大分子鏈與基體之間具有優(yōu)異的相容性，可進(jìn)行分子鏈纏繞，所以綜合力學(xué)性能較高。但是體系的流動(dòng)性較差。
小編最后想說的是，在設(shè)計(jì)改性配方時(shí)，不可一味追求性能。在性能滿足使用的情況下，成本才是關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)：
王珂，吳景深，曾漢民.聚丙烯/硫酸鋇復(fù)合體系的界面相互作用與流變性質(zhì)和結(jié)晶行為的關(guān)系[J].高分子學(xué)報(bào)
第一屆特種工程塑料發(fā)展與應(yīng)用論壇
2017年10月20日
蘇州 昆山維景國(guó)際酒店昆山市花橋鎮(zhèn)花橋國(guó)際商務(wù)城兆豐路2號(hào)
主要議題Meeting Topic
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會(huì)議議題 |
嘉賓/企業(yè) |
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上午 |
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特種工程塑料及高溫工程塑料市場(chǎng)現(xiàn)狀 Special engineering plastics and high temperature engineering plastics market present situation |
IHS 徐徐 總監(jiān) |
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高溫工程塑料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用 High temperature Engineering plastics on the Auto application |
蘭蒂奇 Marketing Manager David QI |
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高性能尼龍?jiān)诠P記本等消費(fèi)品的應(yīng)用 Application of High temperature nylon on the notebook |
EMS 薛小平 應(yīng)用技術(shù)經(jīng)理 |
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下午 |
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半芳香聚酰胺合成與性能研究 Study on the synthesis and performance of semi-aromatic polyamide |
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高溫尼龍?jiān)谛乱淮謾C(jī)納米注塑材料應(yīng)用 High temperature nylon on the NMT of the new smartphone |
江門德眾泰 王愛國(guó)總監(jiān) |
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10月20日蘇州第二屆長(zhǎng)纖增強(qiáng)復(fù)合材料及汽車輕量化論壇，詳細(xì)進(jìn)來看看！
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