上海天函矿粉科技有限公司

目前汽车壳体件大部分采用滑石粉或玻璃纤维增强的聚丙烯材料。玻璃纤维增强聚丙烯材料的性能 远远超过了标准的要求，其成型难度大，翘曲严重，大件无法成型，且产品表面差；用滑石粉填充的聚丙烯， 产品成型容易，表面质量好，但材料的性能差，产品的低温冲击性差，影响其使用寿命。研究了利用针状硅灰 石的高长径比、与聚丙烯优良的相容性和低成本来代替玻璃纤维增强聚丙烯，提高材料的综合性能，降低成本。 　　 　　当前，汽车壳体类件使用的材料大多为玻璃纤维增强聚丙烯和滑石粉填充聚丙烯。但两者都有缺陷，前者 成型难度大、外观差；后者成型容易且外观优良，但强度太低。利用针状硅灰石的高长径比15：1翘曲的问题 ，材料的性能大大高于滑石粉填充聚丙烯，而且成本相对于滑石粉填充聚丙烯材料降低8%，相对于玻璃纤维增 强聚丙烯材料降低20%。本项目主要研究了针状硅灰石的表面处理技术、新材料的配方、挤出工艺和添加量对 材料性能的影响。所研制的汽车专用料GHD-PP-01具有抗冲击性能好、耐热老化性优良和冷热交变适应性好等 特点，大幅度降低了成本，已经批量生产。目前，该新材料已经应用到解放系列载货车的暖风机壳体上，使用 效果良好，同时适用于汽车空调外壳、灯罩、仪表板、风扇护罩、配电器盖、散热器护罩、内装饰件和电池外 壳等。 　　国外使用针状硅灰石增强各种树脂已经有很多年，技术比较先进，设备自动化程度高，而且产品应用范围 广，其硅灰石填料占欧美无机填料市场的10%-15%。我国的硅灰石矿产量占世界首位，对硅灰石的研究起步比 较晚，正在进行探索性研究。 　　1.原材料的选用分析 　　1.1选择合适针状硅灰石长径比和原材料种类 　　硅灰石是一种钙的偏硅酸盐类矿物，理论化学成分（质量分数）为48.3%CaO、51.7%SiO2。天然产出的硅 灰石通常呈针状、放射状、纤维集合体。将硅灰石应用到塑料行业上，特别是增强聚丙烯长径比的选择关系到 能否达到聚丙烯的各项性能指标，通过多轮试验和参照国外的经验选择合适的长径比为15：1。根据壳体件的 特点选择适合的均聚聚丙烯T3OS或F401、共聚聚丙烯1647或K8303、1000目的滑石粉。 　　1.2选择合适的表面处理剂和偶联剂 　　经过了几轮试验，处理针状硅灰石选择硅烷偶联剂，处理滑石粉选择钛酸酯偶联剂，达到 了与树脂较好的相容性。 　　1.3其他助剂的选择 　　依据塑料填充改性的机理和塑料改性的经验，选择适用于新材料的助剂。抗氧剂选择受阻酚抗氧剂1010和 亚磷酸脂抗氧剂168。其他助剂选择市售。 　　 　　2.1整体工艺 　　秤量→混料→挤出→造粒→注射成型。 　　2.2混料工艺 　　针状硅灰石加热到100℃时烘干3-4h，加入硅烷偶联剂，在100℃时中速混合5min。 　　滑石粉加热到100℃时烘干3-4h，加入钛酸酯偶联剂，在80℃时高速混合4min，加入硬脂酸钙搅拌2min， 再分别加入其他助剂、树脂并高速混料3min.。 　　2.3挤出工艺 　　针状硅灰石从侧开口加入料，用料斗来控制其加入的量，其他料从主入料口进入双螺杆挤出机挤出。 　　3性能试验 　　3.1材料性能试验 　　依据国标塑料材料试验方法，测试新材料的各项性能。委托国家汽车检测中心检测结果见表2（标准为该 项目的技术条件）。 　　为了解新材料的耐低温冲击性，将其与滑石粉填充的聚丙烯件进行对比试验，试验条件为高度1m,，钢球 质量500g，温度-40℃。分别在1h和12h后做对比试验， 　　4.1产品的尺寸稳定性及外观 　　对针状硅灰石超细粉表面处理，利用其优异的长径比改善塑料制品的力学性能和抗老化性能，改善塑料制 品的功能强度，起补强、增强作用，提高制品的尺寸稳定性，调整塑料的流变性能。达到这个目标需要新材料 的收缩率与开模具时材料的收缩率相一致（原来材料收缩率在0.9%~1.05%范围内，新材料的收缩率是1.02%） ，在做配方时需要考虑硅灰石与滑石粉混合填充时对基体树脂的影响。原材料的基体树脂和新材料的基体树脂 都为聚丙烯，所以只要填充矿物粉的配比合适及矿物粉的表面处理得当，就可以解决材料的收缩率问题。硅灰 石的本身不含结晶水、吸湿性小、热稳定性好，与滑石和云母等片状填料相比，有表面划伤不显著的特点。 　　4.2降低成本 　　通过针状硅灰石的高长径比对聚丙烯的补强作用，在保证性能前提下，增大矿物填充量（原来填充滑石粉 20%，现在填充针状硅灰石10%~15%、滑石粉5%~10%，矿物粉量增加5%~10%），就会降低成本，因为基体树脂的 成本是矿物粉成本的10倍以上。 　　4.3提高材料性能 　　利用针状硅灰石的高长径比对聚丙烯增强的作用，主要是对硅灰石的表面进行活化处理，采用硅烷偶联剂 处理其表面，达到与基体树脂的有机结合。聚丙烯材料的低温冲击性能差，利用加入适当配比的共聚聚丙烯提 高其低温冲击性能。 　　5针状硅灰石对聚丙烯性能影响的研究 　　5.1对冲击性能的影响 　　用硅烷偶联剂处理后针状硅灰石增强聚丙烯的无缺口冲击强度变化曲线见图。由图3可见，填充量在10份 左右时，冲击强度值最高。结合电镜照片（图4）可以看出，填充10份左右的针状硅灰石在聚丙烯中能够保持 完好的针状结晶形态，且在聚丙烯树脂基体中充分定向排列，能够起到最佳分散、传递应力的作用。 　　5.2对聚丙烯拉伸性能的影响 　　用硅烷偶联剂处理的针状硅灰石对聚丙烯拉伸强度的影响见图。由图可见，在硅灰石添充量为1~30质量份 范围内，拉伸强度呈降低趋势，但降低幅度不如橡胶增韧聚合物体系大，这也是针状硅灰石增韧的优势之一。 　　6.1针状硅灰石的表面处理 　　针状硅灰石做为塑料的增强填料预先必须对粉体进行表面处理即对它表面进行改性，以改善粉体的表面性 能提高其疏水亲有机的能力，使粉体在聚丙烯树脂中更好地均匀分散并与基体材料有很强的亲和性能。粉体改 性的关键是要根据聚丙烯材料来选择改性剂，经过半年时间的反复试验研究，最终筛选出一种针状硅灰石粉表 面改性较为理想的硅烷偶联剂KH-550；同时，与表面处理效果改性所使用的设备、工艺条件（如温度、时间改 性剂的添加方式等）也有非常直接的关系。经过多次试验，掌握了生产改性针状硅灰石粉的最佳方案，工艺流 程见图6。 　　6.2针状硅灰石粉增韧聚丙烯的作用机理 　　针状硅灰石粉填充聚丙烯后，结晶度基本不变，利用硅烷偶联剂改性的硅灰石表面，在大量的偶联剂分子 有机基团与聚丙烯树脂混合时，其上的有机基团可通过分子间范德华力及高分子链的物理缠结 　　 　　或交联作用与聚丙烯树脂紧密结合，聚丙烯基体树脂间形成了一定厚度的柔性界面层。这个柔性界面层， 在外来冲击载荷作用时，此柔性界面层可吸收一定的冲击能，并且能在整个体系中得以均匀传递和良好分散， 这样就能耗散更多的能量，达到增韧的作用。 　　6.3硅灰石/滑石粉复合填料增强填充聚丙烯的研究成果 　　硅灰石/滑石粉等非金属矿物广泛用作塑料、橡胶、涂料等高聚物复合材料的填料。但二者复合应用未曾 见文献报道。矿物的形状、表面性质、粒度、粒径分布等决定其填充性能片状填料有助于改善基体的抗冲击性 能而长径比较大的填料则能提高抗拉强度。滑石粉和硅灰石都属于硅酸盐矿物，滑石粉呈片状或磷状，β-晶 型的硅灰石为针状，长径比可达20：1以上因此把二者复合改性填充到有机聚合体中，有望改善基体的力学性能。 　　以滑石粉硅灰石复合填料为原料采用正交试验法研究了表面改性剂用量、改性温度和时间等对滑石粉硅灰 石复合填料活化指数的影响用滑石粉硅灰石二元活性填料填充聚丙烯考察填充体系的力学性能与二元填料填充 及配合比的关系并借助扫描电子显微镜等研究了表面活化机理。 　　经过研究，资源丰富的硅灰石被充分利用到聚丙烯及其他树脂的填充改性上，材料和制品的各项性能大幅 度提高，降低了成本。研制的新材料应用到汽车塑料件上，将会取得较大的经济效益和社会效益。经过对针状 硅灰石增强聚丙烯的各项性能的研究，了解其特性，为以后填充其他树脂的研究奠定了理论和实践基础。并且 ，利用均聚聚丙烯和共聚聚丙烯的共混技术，弥补了聚丙烯的低温冲击性差的缺陷，解决了汽车壳体件在北方 冬季冷热温差较大时导致容易破碎的问题，延长了其使用寿命。