滑石粉填充聚丙烯共混物的性能研究

Study on the Properties of Talc Filled Polypropylene Blends

摘要

聚丙烯（PP）塑料是1种性能优异、应用广泛的材料。在PP塑料的二次回收利用过程中，其力学强度、热稳定性和抗老化性能仍有待进一步提高。因此，研究采用废弃的PP塑料，并通过简单的熔融塑化和再冷却的方法制备了滑石粉填充的PP共混物。添加滑石粉后，滑石粉中的—OH基团和PP碳链上的—CH₃基团之间形成了氢键，使滑石粉填充的PP共混物的力学性能较原始PP塑料显著提升。当滑石粉的含量为10%时，其断裂能相比原始的PP塑料提高了近142%。因此，在二次回收利用PP塑料的过程中添加适量的滑石粉有助于进一步提升PP共混物的性能。

关键词

聚丙烯塑料 / 滑石粉 / 废物资源化 / 抗老化 / 可持续应用

Key words

Polypropylene / Talc / Resourcefulness of waste / Ageing resistance / Sustainable applications

聚丙烯(PP)具有成本低、密度大、易加工、力学性能优良、耐化学性和耐温性好的特点^[1-3]，已经成为全球塑料行业第二大热塑性塑料^[4-5]。PP已广泛应用于汽车、消费电子、包装和玩具等多个领域^[6-8]。PP的线型碳氢化物结构导致其结晶速度快，熔体强度低^[9]。因此要制备具有定制结构和高强度的PP塑料仍面临较大的挑战^[10]。为此，学术界和工业界都做出了许多努力。目前，很多研究表明，纳米填充剂(如纤维素纳米晶体^[11]、滑石粉^[12-13]和纤维增强剂(如碳纤维^[14]、玻璃纤维^[15]、不锈钢纤维^[16])是改善PP强度的有效填充剂。

滑石粉是1种层状硅酸盐矿物，通过微弱的范德华力使其具有板状形态^[17]，当受到的剪切应力降低时，会出现分层，并均匀地分布在聚合物基体中^[18]。滑石粉的片状结构对塑料材料的刚性和高温下的抗蠕变性带来正面影响，使其可以作为增强性填料^[19]。滑石粉的加入可以显著提高塑料制品的拉伸强度并赋予其良好的抗冲击性能^[20]。王利萍等^[21]利用廉价的滑石粉作为无机填料制备了PP/三元乙丙橡胶(EPDM)/滑石粉三元体系共混物，滑石粉含量为25%时，弯曲强度达到最大，为48.0 MPa。刘乐文等^[22]在极性润滑剂的辅助下，以滑石粉、润滑剂和PP为原料合成了PP/滑石粉复合材料。发现BAB极性润滑剂对PP/滑石粉复合材料具有更优异的增韧作用，缺口冲击强度最高提高了35%。滑石粉具有阻燃性、抗酸性、绝缘性、熔点高和化学性质不活泼等物化性质^[23]。利用滑石粉具有稳定的力学性能，可以将其与PP塑料混合，进一步提升PP塑料的稳定性。

基于滑石粉的优异性能和潜在应用前景，本研究着眼于提升PP塑料的力学性能，以实现高性能PP塑料的制备和广泛应用。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚丙烯(PP)塑料源，15 mL锥形离心管，430791，美国康宁公司；滑石粉，800目，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱，DHG-9145A，上海一恒科学仪器有限公司；恒温油浴锅，DF-101T，上海佰祥仪器科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，SU88220，日本日立公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，EQUINOX55，德国布鲁克公司；热重分析仪(TG)，Q500，美国TA公司；拉伸机，HP-1k，艾德堡仪器有限公司；玻璃板模具，玻璃厂定制。

1.3 样品制备

表1为滑石粉填充PP共混物的配方。将废弃的离心管切成10 mm×10 mm的碎片，使用乙醇和去离子水反复清洗，在65 ℃烘箱中烘干。根据LI等^[2]介绍的熔融塑料法制备滑石粉填充PP共混物，在原来的实验配方上略有改进。按表1配方将2.0 g的PP塑料碎片和不同质量的滑石粉装入20 mL的容量瓶中，在220 ℃下加热搅拌(300 r/min)2 h。反应结束后将熔融的混合物倒入1 mm厚的模具中，静置2 h。最后，将模具中的滑石粉填充PP共混物取出，并用乙醇和去离子水反复冲洗，晾干备用。

1.4 性能测试与表征

SEM测试：电压5.0 kV，电流10 μA。

FTIR测试：波数范围400~4 000 cm^-1。

力学性能测试：拉伸性能按GB/T 1040.2—2006进行测试，拉伸速率为10 mm/min。断裂能测试使用带有1 000 N负荷传感器的拉伸机测量了材料的断裂能。将材料裁剪为10 mm×10 mm的大小，使用两个不锈钢夹具夹紧，保持测量材料的尺寸大小为2 mm×10 mm。所有的力学性能测试均在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 微观结构分析

图1为PP和PP-滑石粉混合物的SEM照片。

从图1a可以看出，PP塑料表面较为光滑。从图1b可以看出，添加了滑石粉之后，PP-滑石粉混合物的表面变得较为粗糙，并且表面有很多凸起。这些凸起是由于添加的滑石粉使PP塑料的微观结构发生了变化。可以看到片层的滑石粉结构镶嵌在PP塑料中，说明滑石粉与PP塑料混合在一起。

2.2 FTIR分析

图2为PP和PP-滑石粉混合物的FTIR谱图。

从图2可以看出，PP在2 957 cm^-1处发现1个对应—CH₃的伸缩振动峰，在2 916 cm^-1处发现1个对应—CH₂—的伸缩振动峰。同时，分别在1 460 cm^-1和1 378 cm^-1处发现—CH₂—和—CH₃的弯曲振动峰，1 157 cm^-1处和972 cm^-1处属于—CH₃的摇摆振动峰。这一结果说明离心管碎片由PP塑料组成。将滑石粉填充进PP塑料中后，在3 677 cm^-1处和3 427 cm^-1处发现两个尖锐的吸收峰，前者是滑石粉中存在大量的—OH基团所引起的伸缩振动，后者是由于滑石粉中的水分子和PP上的—CH₃基团形成的氢键作用^[24]。这一结果说明滑石粉与PP塑料是在氢键的作用下结合在一起，而非简单的物理混合。同时，在1 016 cm^-1处发现1个新的吸收峰，属于Si—O的伸缩振动峰，而SiO₂是滑石粉的主要成分，这一结果说明滑石粉填充PP混合材料的成功制备。

2.3 力学性能分析

通过测试材料的应力-应变曲线进一步考察了添加滑石粉前后PP塑料的力学性能。图3为PP和PP-滑石粉混合物的应力-应变曲线和断裂能。

从图3a可以看出，在PP材料中添加了滑石粉后，PP-滑石粉混合物的应变和应力都有着明显的提升，并且随着滑石粉比例的逐渐加大，PP-滑石粉混合物的应变出现先增大后减小的趋势。当滑石粉含量为10%时，PP-滑石粉混合物的极限应变达到最大的265.5%，较纯的PP塑料提升了111%。这归功于滑石粉良好的柔软性和层间结构^[25]。在PP塑料冷凝的过程中，PP的碳链嵌入了滑石粉的层间结构，从而增强了其延展性。同时，当滑石粉含量增加到15%时，PP-滑石粉混合物的极限应力达到最大的52.14 MPa，继续增加滑石粉的含量，极限应力变小。这是由于滑石粉的含量会影响PP碳链的交联密度。当滑石粉含量较低时，PP塑料与原始形态相比没有太大的区别，PP-滑石粉混合物在外力的作用下容易解离，导致混合物出现裂缝。随着滑石粉含量的增加，PP碳链与滑石粉的相互作用力逐渐增强，从而增强了PP-滑石粉混合物的抗外部拉伸能力，提高了混合物的极限应力。然而，当滑石粉的浓度过高时，限制了PP碳链的缠绕，降低其运动能力，导致混合物可承受的外部拉伸力量逐渐减小，从而降低了混合物的极限应力和极限应变。总而言之，在PP材料中添加滑石粉可以显著提升混合物塑料的力学性能。原因是滑石粉与PP碳链间的氢键作用有效地交联了PP的碳链，从而提高了PP-滑石粉混合物的力学性能。这一结果与雷泽一川等^[26]报道的结果保持一致。

从图3b可以看出，添加滑石粉后，PP塑料的断裂能有较为显著的提升。当滑石粉的含量由0增加到10%时，PP-滑石粉混合物的断裂能从6.71 kJ/m³提升至16.22 kJ/m³，断裂能提升了142%。这说明滑石粉的含量对PP-滑石粉混合物的断裂能产生显著影响。这归因于滑石粉表面的—OH基团与PP碳链上C—H基团的氢键作用。同时，滑石粉同样具有优异的力学强度，在氢键和滑石粉的双重作用下增强了PP-滑石粉混合物的力学性能。

3 结论

本研究通过熔融塑料法将废弃的PP塑料再次冷却成型，实现了重复使用，从而有效提高了PP塑料的可持续性。PP-滑石粉混合物中，滑石粉在混合物中均匀存在。

通过在PP中分别添加不同质量比例的滑石粉，制备了含有1%、2%、5%、10%、15%和20%滑石粉填充PP共混物。研究发现，滑石粉与PP碳链之间形成了氢键，使得共混物的极限应力和极限应变得到显著提升。在共混物中，当滑石粉的质量比为10%时，其力学性能最佳，PP-滑石粉混合物的极限应变达到最大的265.5%，较纯PP塑料提升了111%，其断裂能为16.22 kJ/m³，较纯PP塑料提升了142%。添加滑石粉能够有效提升PP塑料的力学性能，为PP塑料的应用提供了更广阔的空间和更好的保障。本研究有望为塑料制品的可持续应用和环保工作作出积极贡献。

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