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滑石在塑料增强改性中的应用以及技术进展

发表时间:2022-07-18 访问量:601

      滑石的增强改性作用源自其片状结构,主要用于汽车和家电行业使用的聚丙烯塑料增强改性。滑石的“四度”:纯度、白度、细度和片度是决定改性效果的主要因素。超微细滑石粉越来越多地用于薄壁高刚度改性塑料制品中。未来滑石的单位使用量将会减少,产品性能会越来越高,即减量增效。提高增强改性效果有提高细度和径厚比两个途径。砂磨工艺不但能进一步提高细度,还能更好地保持滑石的片状结构和径厚比,是今后高性能滑石粉体的加工发展方向。

      塑料增强改性是滑石的重要应用领域,特别是用于汽车和家电行业聚丙烯改性。滑石可以提高制品的热变形温度,增加尺寸稳定性,降低成型收缩率。超细滑石粉提高制品的刚性、耐蠕变性、以及冲击强度 [1,2]。因此车用的内饰件、外饰件以及结构件中,很多都采用滑石增强改性聚丙烯材料。为应对全球气候变化,减少排放,实现“碳达峰、碳中和”目标,轻量化已经成为汽车工业发展的潮流。实验证明,若汽车整车重量降低10%,燃油效率可提高6-8%;汽车整备质量每减少100公斤,百公里油耗可降低0.3-0.6升。车用改性塑料迎来了新的发展机遇。

      但在实际使用和研究中发现:并不是所有市面上标注为滑石的产品都有预想的增强改性效果,有些产品甚至没有任何作用。加入滑石后塑料基体颜色变暗,不同产地的滑石使颜色变暗的程度也不一样。产生这些问题的主要原因可能是由于对滑石的特性了解不全面,产品选型不恰当。在选用滑石型号时,很多人只关注干白度和目数。甚至片面的认为,越细越好。其实滑石的纯度、白度、细度和片度“四度”都是影响增强改性效果的重要因素。

1 滑石的结构

      滑石对塑料的增强改性作用源自其片状结构,是综合性价比较高的非金属矿物改性材料。碳酸钙是球状结构,几乎没有增强作用。滑石的径厚比虽然小于云母,但其价格、加工成本、产量方面有明显的优势。滑石分子的层间连接力(范德华力)很微弱,使其硬度低,加工过程中对设备的磨损较小,还可给予填充体系刚度和冲击强度间的更佳平衡。

2.1纯度

      自然界的滑石都含有杂质矿物,对改性效果会产生各种不利的影响。这些杂质包括,菱镁石、白云石、绿泥石、石英,铁盐,重金属等。研究表明:不同产地的滑石杂质种类和含量各不相同,对增强改性的影响也不相同。菱镁石、白云石对弯曲模量、热稳定性等有明显的不利影响,绿泥石也有不利影响但比菱镁石、白云石小。重金属和铁盐对塑料的抗老化性、热稳定性均有不利的影响。重金属的影响需要区别对待。存在于滑石结构中的重金属比存在于碳酸盐和其他杂质矿物结构中的重金属影响要小(表1)。因此在选择滑石型号时,不但要关注其纯度,也要了解产地来源和其中的杂质种类和含量。


表1   碳酸盐、铁及重金属对弯曲模量,弯曲强度和热稳定性的影响





样品标记

矿物组份

LOI

As

Co

Cr

Fe

Mn

Ni

弯曲模量

弯曲强度

热稳定性

%

ppm

ppm

ppm

ppm

ppm

ppm

Mpa

Mpa

hrs

中国样品0

滑石

5.1

0.1

1

<1

237

2

<1

3088

59.74

890

中国样品1

滑石+绿泥石

10.5

0.2

1

1

672

4

139

3097

59.35

650

中国样品2

滑石+石英+菱镁石

15.9

1.9

17

<1

809

41

<1

3005

58.05

546

中国样品3

滑石+菱镁石

7.2

0.3

3

<1

148

10

<1

3232

60.01

634

澳大利亚0

滑石

5.4

0.8

<1

5

280

5

<1

3198

60

626


2.2白度

      世界上大部分滑石并不是白色的。白滑石主要来自中国、阿富汗、印度,比较有限。随着塑料工业对白滑石需求的增长,近20年的价格持续上涨。白滑石供不应求是今后的一个长期趋势。其实在许多应用领域中并不需要白滑石。如深色塑料的增强改性,使用白滑石和深色滑石的增强效果相同。试验表明:滑石的湿白度每提高1%,最终产品的白度提高只有0.2-0.3%。片面追求滑石的白度没有意义。以前由于白滑石价格太低,很多用户并未过多考虑使用白滑石的成本增加。随着供货量减少和价格的提高,有必要转变使用习惯,提高资源的综合利用。

2.3细度

      对一个滑石产品粒度优劣的评价不能仅凭平均粒度D50一个指标。平均粒径不能表征产品的粒度分布,也不能表征更大粒度。评价至少需有平均粒度D50和更大粒度D98(或D100)两指标。图4示意两个平均粒度相同但不同粒度分布的产品。产品1的粒度分布较窄、更大粒度较小,产品的粗颗粒较少;而产品2的粒度分布较宽,更大粒度较大,产品的粗颗粒多。在其他条件相同的情况下,产品1改性的性能好于产品2。粗颗粒的大小和多少对产品的机械性能产生显著不利影响,需要严格控制。

      微细目滑石粉的一个缺点是体密小。直接使用混料困难、产率低、粉尘污染。近年来采用排气压缩新技术提高体密。1250-5000目粉体压缩前的密度为0.25-0.15,压缩后可以达到0.70-0.45,且分散性基本不受影响。排气压缩还能显著减少滑石粉带入挤出机的空气量,减少物料在挤出机内的停留时间,有助于提高抗老化性能,产率可提高15-25%。

      加工过程中滑石粉的片状结构保持越完整,其改性增强效果越明显。在对产品微细化的加工过程中,采用不同的方法,产品的片状结构保持情况也不一样。不适当的方法和操作会破坏其片状结构。微细目滑石主要采用气流磨加工。使用的气(汽)源有压缩空气和高压蒸汽两种。磨腔有对冲法和旋流法两种。高压蒸汽使得粒度分布较窄,能耗下降明显。旋流法使得片状结构得到更好的保护。

      滑石的“四度”:纯度、白度、细度和片度是决定增强改性效果的重要因素。选择产品型号时需要通盘考虑这四方面因素以及性价比。滑石纯度越高,其增强效果越好,不同杂质对效果的影响各不相同。虽然白度对增强改性不起作用,但会使制品颜色变暗,湿白度中的b*(b)值越低,塑料基体的颜色变化越小。超微细滑石粉越来越多地用于薄壁高刚度改性塑料制品中。未来滑石的单位使用量将会减少,产品性能会越来越高,即减量增效。提高增强改性效果有提高细度和径厚比两个途径。砂磨工艺不但能进一步提高细度,还能更好地保持滑石的片状结构和径厚比,是今后高性能滑石粉体的加工发展方向。


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