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矿物纤维在塑料中的应用

来源:2015年中国非金属矿科技与市场交流大会论文集|

发表时间:2017-05-16

点击:20550

硅灰石是天然的硅酸钙(CaSiO3),呈浅白色针状结构,是一种无毒、无味、耐高温、热膨胀系数小的惰性纤维状矿物材料,可用于塑料的增强改性,在塑料中硅灰石的矿产资源、价格成本、性能指标、应用工艺均有明显的优势。



1  硅灰石的物理性能

硅灰石属天然的白色硅酸钙,化学式CaSiO3,比重 2.9g/cm3,莫氏硬度 4.5,折射率 1.63,化学成分见表 1。



采用独特的加工工艺,使硅灰石保持较好的短纤维状结构,长径比达15:1~20:1,被人们称为优良的天然矿物纤维,应用在某些领域可替代玻纤。



2  硅灰石在塑料制品中的应用特点

我们将硅灰石与 PA6、PP 等树脂在不同添加量时作了大量应用试验,有关数据见表 2、表 3。



从上表中和国内外客户应用中得知,硅灰石具有以下优异性能和特点。

1
提高塑料制品的弯曲强度和弯曲模量

在 PA6 中加入矿纤后,可提高弯曲强度,随着添加量的增加,弯曲强度明显提高。 这就体现出来矿纤的针状结构和刚性特点,在片材、板材、薄膜、大型管材、中空制品、滚塑制品等产品中会有明显的产品技术优势。

从试验数据中看出,加入矿纤后,弯曲模量也会有大幅度的提高,当在 PA6和 PP 中加入 40%矿纤时,弯曲模量提高约一倍。

2
提高拉伸强度

在 PA6 中随着加入量的增加,拉伸强度在增加,在加入 20%~30%时,会保持在一个高的水平线上,目数越细,拉伸强度越好。

在 PP 中当加入量在 10%左右时,拉伸强度与纯树脂接近,随着添加量提高,拉伸强度呈下降趋势,在 PP 中矿纤粒度的变化对拉伸强度的影响不是特别明显,这有待进一步试验验证。

3
提高冲击强度

我们在 PA、PP、PE、PC 等树脂中加入 20%~40%的硅灰石,可明显提高塑料制品的冲击强度。如在吹塑中空桶、包装瓶中加入硅灰石后,改善了中空制品的跌落冲击性能,还具有提高阻隔紫外线的功效,提高塑料包装的保质、保鲜、防腐等特点。

4
提高热变形温度

塑料制品的耐热性差是制约塑料应用的重要原因。在工程塑料、通用塑料、特种塑料中可适当添加矿纤提高塑料的耐热温度。在不同的塑料制品中,如各类灯具、耐热零部件、电线、电缆、片材、薄膜、管材等,随着矿纤的加入量增加,耐热性提高,当加入 40%矿纤时,耐热温度可提高近一倍。

5
改善耐刮擦性和耐摩擦性

矿纤的硬度明显高于塑料,耐热性又是矿纤的优势,在塑料制品中加入适量的矿纤,可提高塑料制品的耐刮擦性和耐摩擦性,应用在流动物体的输送管道、器皿和物体之间互相摩擦的零部件方面,具有较好的耐刮擦性和耐摩擦性。

6
提高尺寸稳定性

塑料制品的收缩率是影响塑料精密件的重要加工因素,如 PA、PP 的收缩率在 1~2%左右,而加入矿纤后,可明显降低收缩率,提高生产效率,在精密注塑零部件和大型塑料制品制造加工过程中加入适量的矿纤,可有效地保持塑料制品的尺寸稳定性,还可缩短加工冷却周期,会有特殊的应用效果和意义。

7
优异的加工稳定性和生产成型性能

无机材料粘度低,加工稳定性好,在塑料制品中加入一定量的无机材料,可有效降低加工粘度,改善生产工艺的稳定性,并且有益制品的成型性。

8
改善塑料制品的收缩率

塑料制品在高温、高压、高剪切等条件下加工生产,当物料脱离模具、模腔后,温度会大幅下降,制品应力难以在短时间内释放。特别是在板材、片材和大型塑料制品生产时,会出现明显的凸凹收缩缺陷,还会产生翘曲、弯曲等现象,而在加入矿纤后,可有效地解决这些问题。

9
改善吸水性能

在PA中加入矿纤后可避免因制品吸水而导致弯曲强度及弯曲模量下降的缺点。由于硅灰石的性能稳定,吸水率低,在易吸水而影响产品质量的树脂中添加适量的矿纤后,可缩短树脂的干燥时间,还能有效地改善塑料因吸水率过高致使产品的物理性能下降、外观表面粗糙等现象。

10
降低塑料制品生产成本

矿物纤维(硅灰石)来源丰富,价格优势明显,硅灰石在改善塑料制品性能的同时,可有效地降低生产成本,为生产企业带来明显的经济效益。

3  矿物纤维的应用技术

3.1  矿物纤维的微观为针状结构,为保证其针状结构不被破坏尽量使用侧喂料。矿物纤维的添加比例高于 30%时,可使用分步喂料,一小部分在主喂料口添加,另一部分在侧喂料添加。

3.2  界面相容就是无机粉体经过活化改性后,形成均匀地有机包覆层,能够在温度、压力等作用下与有机材料有很好的相容性。无机粉体表面改性的效果是决定界面相容的重要决定因素。

为保证矿物纤维在塑料制品中相容性好,分散均匀,应采用表面活化包覆改性技术,将其微细的矿物纤维粒子用偶联剂进行包覆,偶联剂根据用户的需要可选用硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂或钛酸酯偶联剂等。采用表面活化改性工艺,加入适量的助剂,在一定的温度、压力、摩擦、时间等作用下,使亲水性无机粉体转换为亲油性材料,无机粉体与有机材料可“亲密”地成为牢固地结合体。

3.3  水分及易挥发物在塑料加工时形成的气体,会在机械输送过程中往复运动。在冷却后,会对塑料制品产生鲨鱼皮细纹、气泡、不规则裂纹,影响产品的外观和物理性能。硅灰石的高致密性结构使其含水量较低,使用前一般不需要单独进行干燥处理,这与许多无机粉体有明显的差异性。

综 述

矿物纤维的价格远远低于高分子聚合物的价格,而且可以高比例添加到塑料制品中,有效地降低生产成本,给企业带来可观的经济效益。

高分子聚合物多为石油裂解的产物,而矿物纤维在塑料中的广泛应用,可节约大量的合成树脂,使有限的石油资源得到充分利用;而且因为添加矿物纤维的塑料可循环再使用,具有明显的生态效益。

矿物纤维可明显改善塑料制品的物理性能,扩大塑料制品的应用领域,矿物纤维与塑料制品的共混应用是跨学科跨行业的新兴技术和材料的“联姻”,矿物纤维的独特的结构与性能赋与了塑料制品更优良的性能。不同材料的多元复合综合应用,达到了 1+1>2 的效果,给不同行业和产品带来了前所未有的发展契机和广阔的应用前景。

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