北汽BJ40保險(xiǎn)桿（圖片來(lái)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(lái)，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(guò)混煉、擠出和造粒制得改性PP粒子的過(guò)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(wèn)題的辦法，就是通過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)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 |
四川大學(xué) 楊杰教授 Prof. Yang Jie, Sichuan University |
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富士康（昆山）電腦接插件有限公司 張玉春 技術(shù)專理 |
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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(lái)看看！
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