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| 硅灰石填充改性尼龙1212复合材料性能研究 |
| 来源：中国粉体技术网 更新时间：2015-05-21 10:15:52 浏览次数： |
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（中国粉体技术网/龙小水）将无机粉料加入聚合物中，不仅可以改善聚合物材料的某些性能如：力学性能、热性能、吸水性能等，而且还可以有效降低制品的成本，提高产品的市场竞争力。
但是由于无机填料与基体树脂之间的差异，二者之间的相容性较差；同时由于无机粉状粒子具有较高的表面活性，导致无机填料在基体树脂中很容易发生团聚，从而影响其复合材料的综合性能。因此单纯地无机粉状填料的加入并不会提高复合材料的综合性能。需要对不同的影响因素进行深入的探究，以提高复合材料的综合性能。
1 硅灰石表面处理对复合材料力学性能的影响
无机填充材料与基体树脂的界面结合情况是影响复合材料力学性能的重要因素。用偶联剂对硅灰石表面进行处理可以改善硅灰石与尼龙1212之间的界面粘结性能，从而提高复合材料的综合力学性能。在硅灰石填充量相同的情况下，经过表面处理的硅灰石填充尼龙1212复合材料与没有经过表面处理的硅灰石填充尼龙1212复合材料相比，拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量等都有所提高，原因是偶联剂是一种两性结构的物质，其分子结构中含有两个性能截然不同的反应基团。其中一个基团可以与硅灰石表面的化学基团羟基发生反应，另一个与尼龙1212的表面基团发生反应，从而将两者紧紧连接在一起，就相当于起到一个“桥梁"的作用，同时两者之间还形成具有一定厚度的柔性界面层。当材料受到拉力或压力等外力作用时，通过此界面层将应力从局部传递到整个物体，从而提高复合材料的力学性能。
当偶联剂用量为1.5％时，复合材料的力学性能比偶联剂用量为1.0％时复合材料的力学性能反而有所下降，这是由于当偶联剂的用量为1.0％时，硅灰石表面上的羟基已经反应的比较完全。此时再增加偶联剂的用量已经没有太大意义，反而成为无效组分，因此偶联剂的用量有一最佳值(1.0％)，当超过最佳用量(1.0％)时，材料的力学性能并不会提高，反而会有所下降。
2 硅灰石粒度对复合材料力学性能的影响
研究表明在硅灰石含量和偶联剂用量均保持不变时，随着硅灰石粒度的减小，复合材料的拉伸强度、弯曲强度及缺口冲击强度均有所提高。
硅灰石的目数越大，其粒径越小，硅灰石颗粒就越细，反之，则其粒径就越大，硅灰石颗粒就越显得粗。无机填料的粒度是表征其质量品级的一个主要指标，它对复合材料的力学性能有着重要的影响。硅灰石越细，则其粒子的平均粒径就越小，硅灰石在尼龙212基体中就越易分散，且分散的均匀性越好，所以，复合材料的力学性能就越好。但是，并非硅灰石粉颗粒越细越好。因为在实验过程中发现，当硅灰石用量较高(>50％)时，由于硅灰石太细，会出现粉体表面处理不均匀，并且挤出过程中也会出现粉体难以下料以及粉体与基体树脂混合不均等工艺问题；此外，硅灰石越细，复合材料的成本就越高。因此，硅灰石目数的选择应根据硅灰石在尼龙1212中的填充量多少来决定。
3 硅灰石含量对复合材料力学性能的影响
研究表明，硅灰石的加入对于提高尼龙1212的力学性能有明显的作用，且在一定范围内，基体树脂中硅灰石含量越高，其增强效果越明显。在硅灰石含量为10％时，复合材料的拉伸强度比纯尼龙1212的拉伸强度要低，这是由于所加入的硅灰石粉体量较少，未能与尼龙1212基体树脂之间形成良好的界面层，反而起到了应力集中物的作用，降低了复合材料的拉伸强度，在硅灰石含量达到40％以前，随着硅灰石含量的逐渐增加，复合材料的拉伸强度也在逐渐变大。在硅灰石含量达到40％以前，随着硅灰石含量的增加，复合材料的弯曲强度及弯曲模量也在增加。这说明40％的硅灰石含量为复合材料拉伸强度、弯曲强度及弯曲模量的临界含量。
分析认为，经过表面改性的硅灰石与基体树脂的界面粘结强度增大，同时由于硅灰石自身刚性较大，限制了基体树脂中一些分子的运动，在受到外力作用时不易产生形变，从而提高了复合材料的拉伸强度和弯曲强度。但是当超过一定含量之后，基体树脂的连续相就会被破坏，无机填料出现团聚现象，从而影响了复合材料的力学性能。
在开始时复合材料的缺口冲击强度随着硅灰石含量的增加有所下降，但是下降幅度并不是太大，仍能保持原来基体树脂的韧性，但是从40％开始，随着硅灰石含量的增加，材料的缺口冲击强度开始大幅下降。这表明，40％的硅灰石含量是个临界值，超过此含量后，材料的冲击强度会大幅度下降。
4 硅灰石对复合材料热性能的影响
硅灰石的加入对复合材料的热变形温度有很大的提高，且随着硅灰石含量的增加，复合的热变形温度逐渐增加，这表明硅灰石的加入对尼龙1212的热变形温度的改善起着很大作用。
此外，随着温度的上升，纯尼龙1212及其复合材料的热膨胀系数均是先增加后降低，通过对比不同的曲线，可以看出随着硅灰石含量的不断增加，复合材料的热膨胀系数在逐渐降低，这是因为硅灰石为无机非金属填料，与尼龙1212相比其具有良好的耐热性和较低的热膨胀系数，并且由于硅灰石经过偶联剂表面处理，与基体树脂形成了良好的界面层，因此，当复合材料受热后，基体树脂的高分子链段的热运动不但要克服相邻分子链之间的内聚力，而且还要克服无机刚性粒子与高分子链之间的摩擦力。因此基体树脂的高分子链段运动减弱，复合材料的热膨胀系数降低。
5 硅灰石对复合材料吸水性的影响
随着硅灰石含量的增加，制品的吸水率逐渐降低，尤其是当硅灰石含量为40％时，复合材料的吸水率降到了0.1％，由此可知硅灰石的加入明显的降低了复合材料的吸水率，对提高复合材料的尺寸稳定性有很大的帮助。这是由于硅灰石粉体本身的疏水性比较强，并且填充尼龙1212后，也降低了复合材料吸水基团的密度。
6 复合材料的断口微观结构分析
将尼龙1212／硅灰石复合材料试条放在液氮中进行脆断，然后截取长度为2-3mm的试样(截取过程中注意保护好断面，防止粘上碎屑)，在断面处喷碳，用扫描电子显微镜(SEM)在加速电压15kV下，对其断面进行观察，结果表明以看出当硅灰石含量为50％时，复合材料的断面已经出现了硅灰石颗粒的团聚，这说明随着硅灰石填充量的逐渐增加，硅灰石颗粒在尼龙1212中的分散性也逐渐变差，硅灰石粒子很容易发生团聚，在宏观上的表现就是复合材料的力学性能大幅下降。
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