塑料配方设计(第三版)
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第五节 塑料配方组分的相容性

对于一个好的塑料配方,除了配方组分选择合理、用量搭配得当外,配方中各组分之间还要具有良好的相容性,这样才能充分发挥不同组分的应尽作用。

如何判断不同组分的相容性?如何提高各组分的相容性?这就是本节介绍的内容。

一、塑料配方中树脂与助剂的相容性原则

判断不同组分的相容性如何,一条根本的原则即相似者相容,这里所指的相似又可分为如下几个方面。

1.溶度参数相近原则

不同组分的混合过程实际上是分子链间相互扩散的过程,受到分子链之间作用的制约。

分子链间相互作用力的大小,可用溶度参数来表示。溶度参数的符号为δ,其数值为单位体积内聚能密度的平方根。

不同组分之间的相容性好坏,可用其溶度参数δ之差来衡量,即δ越接近,其相容性越好。不同相对分子质量的共混组分,对δ的接近程度要求也不同。

①小分子。对于共混小分子组分,其溶度参数差|δAB|<1.5,即视为相容性好,例如CCl4δA=8.6,天然橡胶的δB=7.95,|δAB|=0.65<1.5,所以,天然橡胶可溶于CCl4中。

②高分子。高分子组分之间的相容规律为:|δAB|<0.5,且分子量越大,对其差值要求越小,也就是说,高相对分子质量的不同组分更不容易相容,例如PVC的δA为9.4~9.7,而NBR的δB=9.3~9.5,|δAB|<0.5,所以PVC/NBR相容性好,可用于PVC增韧体系;再如,PS与PB的溶度参数差大于0.7,两者的相容性差;PVC与PS的溶度参数差大于1,两者基本不相容。

对于溶度参数相近原则,特别值得一提的是,此原则只适用于非极性组分之间和非结晶组分之间,而不适用于极性组分之间和结晶组分之间,其原因为δ只表示分子间的色散力,而不表示极性组分之间的偶极力及氢键。因此,不能完全表征分子间的作用力大小。对于极性组分,要衡量其相容性大小,需选用三维溶度参数都相近原则,其中δd表示色散力,δp表示偶极力,δh表示氢键力。

2.极性相近原则

极性相近原则为不同配方组分之间的极性越相近,其相容性越好。即极性组分/极性组分、非极性组分/非极性组分之间具有良好的相容性,例如PVC/NBR、PVC/EVA、PVC/PCL之间极性相近,其相容性好。

另外,配方中组分的极性越大,其相容性越好;而非极性组分的相容性大都比较差。

极性判断相容性的公式为:极/极>非极/非极>极/非极。

极性组分与非极性组分之间一般不相容,如PVC/PC、PVC/PS、PS/PC及PA/PP等。

极性相近原则有些例外,如PVC/CR、PVC/CPE极性相近,但不相容;而PS/PPO两种极性不同组分,相容性反而好。

3.结构相近原则

结构相近原则为不同配方组分的结构越接近,其相容性越好。

所谓结构相近,是指各自组成的分子链中含有相同或相近的结构单元。如PS和PPO分子链中都含有芳香基团,因而,其相容性很好。

4.结晶能力相近原则

结晶能力相近原则为不同配方组分的结晶能力越接近,其相容性越好。

结晶能力是指可否结晶、结晶难易和最大结晶度。

两种非晶态配方组分相容性好,如PVC/NBR、PVC/EVA及PS/PPO等。

而两种晶态/非晶态、晶态/晶态组分的相容性差,而且只有在混晶时才相容,如PVC/PCL、PBT/PET及PA/PE等。

值得提及的是,在配方组分熔融状态互混时,晶态已被破坏,不受结晶能力原则限制。

5.表面张力γ相近原则

相近原则为不同配方组分的表面张力γ越接近,其相容性越好。

配方中组分熔融时,与乳状液相似,其稳定性及分散度由界面两相的表面张力γ决定,γ越接近,两相间的浸润、接触及扩散越好,界面的结合也越好。

常见的树脂表面张力γ如表1-11所示。

表1-11 常见的树脂表面张力γ

从表1-11中可以看出,PP、PE与顺丁橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶表面张力最相近。因此其相容性很好,尤其PP/EPDM是典型的增韧共混体系。

6.流动性相近原则

流动性的表现指标为黏度和熔体流动指数,在配方设计中不同配方组分的流动性越接近,其各组分之间的相容性就越好。因为配方组分的流动性不同,在熔融混合过程中的移动速度不同,会造成混合的不均匀性。

7.形态相近原则

对于固体、液体形态的助剂,当加入量大时,助剂的形态应该与树脂一样,这样有利于混合均匀。如早期的PC/ABS合金阻燃剂为液体的RDP磷系阻燃剂,加入到固体的PC和ABS树脂中比较困难,往往需要液体泵从中间加入。近年来已经将液体的RDP阻燃剂升级为固体的RDP阻燃剂,这样混合起来就很方便了。

8.粒度相近原则

树脂与助剂的粒径越接近,越有利于混均匀。例如聚乙烯碳酸钙填充母料配方中,大量的碳酸钙为1250目的微细粉末,如果选择微细的聚乙烯树脂粉末为载体,配方的混合均匀性就会大大提高。

9.加工温度相近原则

两种树脂要形成聚合物合金,不论是在合金形成过程中采用熔融共混或溶液共混,但在合金形成后加工制品的过程中都要采用熔融加工的方式进行,也就是合金要经历高温加工。如果两种树脂的加工温度相差很大,一个树脂已经充分流动、而另外一个还不能流动,就会影响合金的加工性能。更极端的是一种树脂可以进行流动了,而另外一种在达到流动温度之前却发生热分解了。这样的合金就无法用熔融方法进行加工,存在意义就不大了。

举个实例,ABS/PVC合金具有应用价值就是其加工温度都在160℃左右,未超过PVC的热分解温度170℃。而如果用PET与PVC之间进行共混,PET的流动温度在270℃,而此时PVC早已经发生热分解了,因此两种难以形成合金。

10.酸碱性相近原则

不同树脂的酸碱性不同:碱性树脂有ABS、AS和PA,中性树脂有:PE、PP、PS,酸性树脂有:PVC、PC、POM、PET、PBT、PMMA、PPS、PPO、LCP等。不同助剂的酸碱性不同:碳酸钙、滑石粉等为碱性,而氧化钙则为强碱性。在具体选择配方的各个组分时,要选用酸碱性相近的组分,如果选用酸性、碱性组合用于相互发生化学反应,就会丧失助剂原有的性能。

二、塑料助剂在树脂中的分散形式

塑料助剂在树脂中的分散形式主要有五种,不同形式具有不同的改性效果。

1.不规则分散结构

这是一种最常见的分散结构,助剂随机分散在树脂基体中,呈不规则状,有人称之为“海岛”状分布。此结构的树脂为连续相并三向连续,助剂为分散相,复合材料表现为各向同性。

在塑料中添加粉状、粒状、球状及短纤维状助剂等易按此结构分散。不规则分散结构具有改性均匀的优点,尤其对冲击改性和发泡改性等有利。

2.层状分散结构

这种分散结构为助剂以层状分散于树脂中,助剂和树脂都为连续相,复合材料呈两相同性形态。常见的层状结构助剂如云母、石墨等易按形态分布。两相连续的层状分散结构对于阻燃、阻隔、抗静电等改性有利,层状分布会大大提高改性幅度。

3.纤维状分散结构

这种分散结构为助剂以纤维状分散于树脂中,树脂和助剂都为连续相,其中树脂为三向连续,而助剂为单向连续。某些纤维状、针状和管状助剂如玻璃纤维、硅灰石等易按此结构分布。纤维状分散有利于增强导电、导热的改性效果的发挥。

4.网状分散结构

这种分散结构为助剂以交错网状分散于树脂中,树脂和助剂都为连续相,其中一相为三相连续,另一相为二相或三相连续。按此结构分散的复合材料为各向同性,有利于导电、防静电和增强改性。如用网状增强材料填充,即可得到网状分散结构。

5.镶嵌分散结构

这种分散结构为助剂以大块状与树脂连结在一起,树脂和助剂都为不连续相。此种分布不利于改性效果的发挥,仅为极特殊用途而设计,很少见到。如粉状助剂与树脂用烧结方式成型有可能获得此类结构。

三、塑料复合材料的界面

助剂在树脂中的宏观分散形式已如上所介绍,那么助剂相和树脂相是如何连结在一起的呢?随着微观技术的不断发展和人们对其理论的不断探讨,目前已基本达成共识。

助剂相和树脂相在其连结处存在一相界面层,通过界面而连结在一起。界面为两相连结处互相纠缠、渗透、扩散在一起不属于两相中任何一相的区域。复合材料的两相之间存在几个截面呢?对于未经处理而直接加入的复合材料,只存在一相界面;对于加入表面处理剂的复合材料,传统观点认为存在二相界面,最近基本统一认识为存在三相界面。清华大学的于键教授利用三相界面的理论,首先开发出普通粉状填料HDPE/碳酸钙高增韧、PP/碳酸钙超韧复合材料,使传统的填充材料一跃变为增韧材料。

三相界面理论的内容为:

一相界面为添加剂材料与偶联剂之间形成的界面;

二相界面为基体树脂与偶联剂之间形成的界面;

三相界面为助偶联剂与偶联剂之间形成的界面。

三相界面理论与两个界面理论的不同点在于:两个界面理论认为偶联剂本身为一体结构,不存在分相问题;而实际上不同偶联剂分子经常存在分相问题,而我们只注意偶联剂与添加剂和树脂之间的结合问题,忽视了偶联剂本身的连结问题,否定了第三相界面的存在,其结果导致复合材料虽经表面处理但性能提高幅度有限的结果。

界面的形成主要靠不同组分之间的化学键、配位键、氢键、机械黏附和润湿黏附等物理和化学力而连结,第一、二相界面的形成靠偶联剂的加入,而第三相界面的形成依靠助偶联剂的加入。

界面的作用主要表现为:当复合材料受到外力作用时,除添加剂和树脂本身受力变形外,界面也承担和分散部分外力,防止复合材料被破坏。因此,界面存在的多少和界面的性质直接决定复合材料的性能。界面的性质包括界面的厚度、柔软性、牢固性高低,是影响复合材料性能的关键因素。传统的观点认为,界面的强度越高越好,而实际上界面的强度要适当。从界面的断裂情况看,界面强度一般的复合材料,受剪切破坏的断口上存在纤维拔出、脱黏等现象;而界面强度太大,断面则呈脆化断裂状态,反而降低了复合材料的强度。因此、复合材料的界面要厚度适当,具有一定的柔软度,以利于界面的应力松弛。

四、提高塑料配方中各组分相容性的方法

如前所述,塑料复合材料的性能好坏与复合材料的界面关系很大。如何获得需要的界面呢?最关键的因素在于复合材料之间的相容性。复合材料之间的相容性好,则会得到良好的复合界面。但是,如果复合材料之间的相容性不好,尤其是无机材料与有机树脂之间的相容性更差,则难以得到需要的复合界面。如何提高复合材料之间的相容性能,一直是人们研究的热点,可喜的是目前已经取得了实用性成果。目前获得应用的方法为对添加剂表面进行偶联剂处理、表面活性剂处理、单体处理、酸碱处理、液体树脂处理、稀土处理、等离子处理等或添加第三种材料相容剂或交联剂。其中应用最多且效果最好的为添加剂表面偶联剂处理和添加相容剂,本书对这两个方面给予详细介绍,其他方面简单介绍。

表面偶联剂处理

偶联剂也称为表面处理剂,它是一种在无机材料与有机材料或不同有机材料之间,通过化学作用使两者亲和性得到改善的一种有机化合物。

偶联剂主要用于无机材料和有机材料混合体系中,有时也用于有机材料复合体系中,是小分子材料与高分子材料之间最好的表面处理材料,尤其是最常用于无机添加剂和有机树脂之间复合时无机添加剂的表面处理。

1.偶联剂的作用机理

目前还没有一套较为完整公认的偶联剂作用理论,下面几种理论解释较为常见,可以供读者参考。

①化学键理论。该理论认为:偶联剂分子含有两种不同性质的基团,其中一种基团可与无机材料表面分子作用形成化学键、氢键及物理吸附等键合,而另一种基团可与有机材料(树脂)分子实现前述的键合,从而在无机相与有机相之间起到桥梁和连接作用,使不相容两相达到不同程度的相容。此理论较好地解释了硅烷偶联剂对玻璃纤维复合体系的作用。

②表面浸润理论。该理论认为:液态聚合物对无机填料的表面浸润性,促进了复合材料组分的相容性。如果无机填料被完全浸润,则树脂在两相界面上的物理吸附所产生的黏结强度,比树脂本身内聚能还要大。反之,如无机材料浸润不良,则导致相容性差。此理论较好地解释了热固性树脂与无机填料之间的复合。

③变层理论。该理论认为:为了缓和复合材料中树脂和填料两相在冷却时不同收缩率而产生的界面应力,希望在树脂与填料之间形成一个柔性变形层,使复合材料的韧性增大。而偶联剂可在树脂与填料之间形成上述的柔性变形层,起到松弛界面应力,阻止界面裂纹扩展的作用。

④拘束层理论。该理论认为:复合材料中存在着高模量的填料与低模量树脂之间的界面区,偶联剂是界面区中的一部分,它的模量介于树脂和填料两者中间,可以较好地在不同模量区域之间传递应力。

2.偶联剂的种类

(1)硅烷类偶联剂

硅烷类偶联剂是开发最早应用最广的一类偶联剂。早期主要用于热固性塑料与玻璃纤维之间,现在广泛用于热塑性树脂与含硅性无机填料之间。

硅烷类偶联剂的结构通式可以写成RSiX3。其中R系与树脂分子有亲和力或反应能力的活性官能团,具体如氨基、环氧基、乙烯基、甲基丙烯酰基和硫基等。其中X系的种类很多:X为能水解基团,具体如甲氧基、乙酰基氧、乙氧基和氯等,此类硅烷为水解硅烷;X为氧化基—O—O—R时,此类称为氧化硅烷;X为含多硫原子基团—S—S—R时,此类称为多硫化硅烷;最近又开发了一种叠氮硅烷,其通式为(CH3CH2O)3Si—R—SO3N3

常用的硅烷类偶联剂如表1-12所示。硅烷类偶联剂主要处理各种硅质无机填料,常用于聚烯烃和硅质无机填料之间。

表1-12 硅烷类偶联剂品种、结构式及适用的聚合物体系

硅烷类偶联剂为液体浓缩物,使用硅烷类偶联剂时首先将其溶于二氯甲烷、乙醇等溶剂中进行稀释处理,以增大体积分数提高分散均匀性。

(2)钛酸酯类偶联剂

这类偶联剂开发于20世纪80年代,是一类新型的偶联剂,但其发展速度和应用范围都已超过了硅烷类偶联剂,主要用于热塑性塑料与各类填料之间的偶联处理。

钛酸酯类偶联剂的具体品种如表1-13所示。产品以液体供应,不足之处为有一定的味道。

表1-13 典型的钛酸酯类偶联剂的类型、化学结构

(3)锆酸酯类偶联剂

同钛酸酯类一样,也开发于20世纪80年代。它的分子主链上络合两种有机配位基,一种赋予其优良的水解稳定性,而另一种配位基则具有良好的有机反应性,从而促进填料与树脂的结合。锆酸酯类偶联剂主要用于PO、EP及聚酯中。

(4)铝酸酯类偶联剂

这是我国独创的一种偶联剂,是由福建师范大学的章文贡先生发明的。结构通式为(C8H17O)2Al(OCOR)m(OCORCOOR)n(OAB)y,式中m+m+x=3,y=0~2。铝酸酯类偶联剂具有成本低、固体供应使用方便等优点,它除具有偶联功能外,还可以提高复合体系的机械强度及耐热性。

(5)锆铝酸酯偶联剂

这类偶联剂开发于1985年,其典型结构由有机官能团和无机框架构成,RX代表有机官能团,它可以是氨基、羧基、甲基丙烯酰基及巯基等。

(6)铝钛复合偶联剂

这类偶联剂兼有钛酸酯类和铝酸酯类偶联剂的双重特点,成本低且用途广,山西化工研究所生产的两个品牌为OL-AT1618和OL-ART2760。

(7)有机铬类偶联剂

分子结构的一端为活泼、可与树脂反应的不饱和基团,另一端则依靠含配价电子的铬氧键与玻璃表面上的硅氧键通过化学键而牢固结合。因此,它主要用于玻璃纤维增强聚酯玻璃钢中。

(8)大分子偶联剂

传统的偶联剂为小分子型,其缺点为与树脂的相容性不够好,还可能导致迁移。近年来开发出大分子甚至高分子型偶联剂,它是一种新型高聚物固体类偶联剂,比小分子偶联剂的偶联效果好,但加入量大。大分子偶联剂的加入量为2份左右,高分子偶联剂的加入量为10份左右。目前也有人将高分子型偶联剂归为相容剂一类。

偶联剂除上述8个品种外,还有硼酸酯、锡酸酯、磷酸酯及端唑啉聚醚(ON-330)等品种。

3.偶联剂的选用原则

(1)偶联剂的选择性

不同类型偶联剂的分子结构类型不同,所含反应基团种类也不同。因此偶联剂对树脂及填料具有一定的选择性,即不同偶联剂对不同填料的作用效果不同。

硅烷类偶联剂主要适用于玻璃纤维及含硅填料如石英、硅灰石、滑石粉、云母、SiO2、硅酸钙、黏土等,也可用于部分金属的氧化物及氢氧化物如钛白粉、氢氧化铝、氢氧化镁等,但少用于氧化钙、元明粉、碳酸钙或者硫酸钡等非含硅填料。树脂早期主要为热固性树脂如PF、EP、不饱和聚酯等,目前可以大量用于热塑性树脂如PO、PS、PET、PBT、PA及PC中。钛酸酯类偶联剂对填料的适用范围广,主要用于非含硅填料如CaCO3、滑石粉、钛白粉等都可以,也可用于玻璃纤维中。树脂主要为PO等热塑性树脂。

表1-14 常用偶联剂适用的填料

偶联剂对填料的酸碱性也有选择性能,酸性填料应使用含碱性官能团的偶联剂,而碱性填料应选择含酸性官能团的偶联剂。

常用偶联剂适用的填料见表1-14所示。

(2)偶联剂的加入量

硅烷类偶联剂的用量可定为填料的1%左右,钛酸酯类用量一般为填料的0.25%~2%。

(3)主偶联剂搭配使用

钛酸酯类偶联剂不同品种之间复合加入有协同作用;硅烷类偶联剂不同品种之间复合加入也有协同作用;钛酸酯类与硅烷类复合加入协同效果好。

(4)主偶联剂/助偶联剂搭配使用

上述介绍的8类偶联剂为主偶联剂,在具体设计配方时尤其是高填充配方,往往需选一个助偶联剂与主偶联剂协同加入,可大幅度提高其相容性。助偶联剂可以为长链段化合物、过氧化物、过氯化物等。以过氯化物为例,具体品种有全氯环戊烷、氯化二甲苯及氯桥酸酐等。

(5)其他助剂的影响

一些表面活性剂会影响钛酸酯偶联剂作用的发挥,如ZnO、HSt等必须在填料、偶联剂、树脂充分混合后加入。大多数钛酸酯类偶联剂易与酯类增塑剂发生酯交换反应,因此此类增塑剂需待偶联剂加入后方可加入。

加入相容剂

相容剂是指借助于分子间的键合力使不相容的两种聚合物组分结合在一起,从而形成相容共混体系的一类化合物,也称为高分子型偶联剂。相容剂也称为增容剂或助容剂等,与偶联剂不同在于偶联剂主要用于无机材料与有机材料之间,而相容剂主要用于两种有机材料之间。

1.相容剂的作用原理

相容剂的作用原理主要有三点。

①增大相界面厚度:非相容的共混物两相之间存在着明显的相界面,且其相界面厚度很小,一般只有1.0~1.1nm。相容剂加入后,可以存在于两相界面之间,使两相界面增大2~3倍。

②防止同类相合并:存在于两相界面的相容剂具有很长的分子链,这样长的分子链之间彼此产生一定的斥力,可以防止同相组分的接近与合并。

③降低相界面张力:相容剂可以降低两相界面之间的界面张力,从而提高两相之间的相容性。

2.相容剂的种类

(1)按相对分子质量大小分类

可以分成高分子相容剂和低分子相容剂两种。低分子相容剂一般为反应型相容剂,如有机过氧化物类等。高分子相容剂大都属于非反应相容剂,如接枝或者嵌段共聚物等。

(2)按作用性质分类

可以分成反应型相容剂和非反应型相容剂两种。

反应型相容剂在发挥相容作用时,伴随着不同的化学反应,可以与共混组分形成化学键或氢键。反应型相容剂分子上含有可反应基团,如羟基、酸酐和环氧基等,常用品种如下:

如EGMA-g-PS可用于PBT/PPO,其中环氧基可与PBT反应,而PS链段可与PPO相容。再如EGMA-g-PS可用于PBT/PC,其中EGMA的环氧基可与PBT反应,而AS可与PC相容。

非反应型相容剂在发挥相容作用时,不发生化学反应,只起到乳化剂作用,降低两相界面的张力。

反应型相容剂和非反应型相容剂有如下不同:

①反应型相容剂添加量大,成本高;而非反应型相容剂添加量小,成本低;

②反应型相容剂有副反应发生,有引起共聚物性能下降的可能性,而非反应型相容剂则无此可能。

我们在设计配方时要首选非反应型相容剂,非反应型相容剂性能满足不了需要时再选用反应型相容剂。

(3)按结构分类

相容剂主要为共聚物,按其共聚结构可分为嵌段共聚物和接枝共聚物两类。

嵌段型共聚物相容剂比接枝共聚物相容剂效果好,主要是因为接枝共聚物相容剂体积阻力大的原因。简单的二嵌段(A-B)型共聚物比多嵌段共聚物效果好。对二嵌段共聚物,当A、B两链段长度相等时,总长度长的嵌段共聚物效果好,也就是说A、B长度相等时高相对分子质量的二嵌段共聚物相容效果好。

(4)按组成分类

可以分成A-B型、A-C型及C-D型三种。

①A-B型:这种类型是由A、B两种共混物的单体经嵌段或接枝共聚而成的相容剂,其中接枝型用(-g-)表示,嵌段型用(-b-)表示。此类相容剂的A链段与共混物中A组分相容,B链段与共混物B组分相容。A-B型相容剂的具体品种有:

②A-C型(ABC型):此类相容剂是由一种共聚物组分A的单体A与一种可与共混物B相容的单体C经嵌段或接枝共聚而成的共聚物。

具体品种有:

③C-D型:此类相容剂是以两种分别同共混物组分A、B相容的两种单体C、D经嵌段或接枝共聚而成的共聚物。

具体品种有:

相容剂已经成为工程师在设计合金配方的首选,但是不同的相容剂对不同的合金具有十分明显的选择性,具体选择时要多加注意。

加入交联剂

交联是指在聚合物大分子链之间产生化学反应从而形成化学键的过程。如果这种交联反应发生在不同聚合物,尤其是互不相容的聚合物之间,可大大提高两种聚合的相容性,甚至使不相容组分变为相容组分。这种交联剂既可以称为交联型相容剂,也可以称为反应型相容剂。交联可分为化学交联、辐射交联和硅烷交联三种方式,其交联原理及配方设计详见第十章第一节内容塑料交联改性配方设计,本节不再赘述。

用于提高共混组分相容性的交联一般选用动态交联方式。动态交联(硫化)是指不同品种聚合物在熔融共混过程中实现的交联,主要用于提高共混物的相容性,并且可以防止交联对塑化加工性能的破坏。当然,如果不至于破坏树脂塑化性能的轻度交联,也可以采用传统的交联方式。

动态交联的概念最早起源于聚丙烯/三元乙丙橡胶共混的研究。PP的动态交联是指PP在高温混炼的动态过程中完成交联过程,有别于在模具中完成的交联过程。在PP交联过程中,交联使PP形成网络结构,使熔体黏度增大,出现转矩升高的现象,通过PP熔体的剪切作用,可以将刚刚交联的网络结构打破,保持熔体黏度基本平衡。因此,PP动态交联过程是一个网络生成—破坏、破坏—生成的动态过程,其结果是材料中不存在整体PP交联网络,而是剪切破坏生成的许多小分体网络连续地分散于混合体系中,达到交联而不影响塑化性能的理想效果。因此,动态交联不仅可明显地提高共混组分的相容性,同时提高各方面性能,又不失去其固有的热塑性,仍然可用热塑性方法加工。

进行动态交联的必要条件为:被分散聚合物的粒径为1~2μm,两种聚合物的表面张力差Δγ应低于0.5~3.0mN/m,树脂的结晶度应大于15%。

目前已经开发的主要动态交联品种有:PP/氯化丁基橡胶、PP/EPDM、PP/天然橡胶、PP/丁基橡胶、PP/丁腈橡胶、PE/EPDM、PE/天然胶、CPE/PP、PA/丁腈橡胶、PP/PA及CPE/PA等。各类动态交联用交联剂的类型如表1-15所示。

表1-15 动态交联用交联剂类型

注:P—二羟甲基苯酚类;M—双马来酰亚胺类;MM—双马来酰亚胺/促进剂DM类;MO—双马来酰亚胺/有机过氧化物类;O—有机过氧化物类;S—硫黄/促进剂类;SO-S—肥皂/硫黄或硫给予体类。

具体动态交联实例如下。

①配方一:

丁腈橡胶/PVC50/50):100硫化促进剂D/DM):2~3硫黄0.8~1.5

②配方二:

12—聚丁二烯/PE100硫化促进剂TT0.25硫化促进剂DM0.25硫黄0.17

③配方三:

天然胶/PP/LDPE100硫化促进剂DTDM4硫化促进剂CE或OTOS2硫化促进剂NOBS1硫黄1

④用硫化氨基硅烷交联剂可使PP/丙烯酸酯橡胶共混。

⑤用异氢酸酯封端的聚酯交联剂可使PBT/丙烯酸酯类共混。

⑥用MgO/二巯基噻二唑复合交联剂可使CPE/PP共混。

与动态交联对应的静态交联(硫化)是指在模具中完成交联过程的一种交联,由于交联的同时不受剪切作用,因而共混物为整体网状结构,近似于热固性塑料,性能可大幅提高,但不可再用热塑性方法进行加工。静态交联主要用于制品改性,而不能用于合金的共混改性。

其他表面处理

1.表面活性剂处理

表面活性剂指极少数能显著改变物质表面或界面性质的物质,其分子结构特点也包括两个组成部分:一是一个较长的非极性烃基称为疏水基,二是一个较短的极性基称为亲水基。

(1)表面活性剂的作用机理

由于表面活性剂这种不对称的两亲分子结构特点,因此具有两个基本特性。一是很容易定向排列在物质表面或两相界面上,从而使表面或界面性质发生显著变化;二是表面活性剂在溶液中的溶解度,即以分子分散状态的浓度较低,在通常使用浓度下大部分以胶团(缔合体)状态存在。

表面活性剂的表(界)面张力、表面吸附、润湿、乳化、分散、悬浮等性能均与上述两个基本特性有直接或间接关系。例如表(界)面张力是指液体表(界)面尽量缩小的力,使其具有在物质表面或界面上定向排列的强烈倾向,表(界)面张力明显下降,这是其最基本的作用机理。再如,表(界)面吸附的原因是表面活性剂的两亲分子结构使其具有在表(界)面上定向排列的强烈趋势,从而使其在表(界)面上的浓度要高于内部的浓度。如果表(界)面有一相为固体时,它可在固体表面吸附,从而达到提高添加剂相容性的目的。

(2)表面活性剂的种类

表面活性剂按溶于水后是否可以发生电离,可将其分为离子型和非离子型两大类。目前开发的可用表面活性剂有:硬脂酸、异丁酸、庚酸、辛酸、月桂酸、脂肪酸盐、脂肪酸酯、木质素、乙醇胺、有机胺、硅油、失水山梨醇三油酸酯、乙二醇脂肪酸酯、丙二醇脂肪酸酯、失水山梨醇倍半油酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯、失水山梨醇单油酸酯、二乙二醇脂肪酸酯、二乙二醇单月桂酸酯、失水山梨醇棕榈酸酯、聚氧丙烯硬脂酸酯、失水山梨醇单月桂酸酯、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯月桂醚、聚氧乙烯失水山梨醇单硬脂酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇三硬脂酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇三油酸酯、聚氧乙烯单油酸酯、烷基芳基磺酸盐、三乙醇胺油酸盐、烷基酸聚氧乙烯醚、聚氧乙烯单月桂酸酯、聚氧乙烯蓖麻油、聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇单棕榈酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇单月桂酸酯、油酸钠、油酸钾、聚醚L31、聚醚L61、聚醚L81、聚醚L42、聚醚L62、聚醚L72、聚醚L63、聚醚L68、聚醚L88、聚醚L108及聚醚L35等。其中除烷基芳基磺酸盐为阴离子型表面活性剂外,其余都为非离子型表面活性剂。

另外,除上述小分子表面活性剂外还有高分子表面活性剂,具体品种有聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚乙烯吡啶十二烷基溴化季铵盐及木质素黄酸钠等。

(3)表面活性剂的选用

对应不同添加剂分别选择不同的表面活性剂,对应不同的树脂选择不同的表面活性剂;此外,尽可能选择表面张力高的表面活性剂。

2.表面聚合物处理

高分子处理剂可解决小分子处理剂使塑料制品性能变差的缺点。常用的高分子处理剂有液态或低熔点的低聚物或高聚物,具体品种有无规PP、聚乙烯蜡、羧化聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、氧化聚乙烯、聚α-甲基苯乙烯及各类聚醚等,线性热固性树脂的预聚物如PF、EP及UP等,高流动性低熔点聚合物如LDPE、EVA及VLDPE等。

3.表面单体处理

所用单体为复合体系中树脂对应的单体,如复合体系为PMMA/碳酸钙,所用单体为MMA。单体处理可改变添加剂的表面的化学结构,达到与树脂相容的目的。

4.表面酸碱处理

用酸、碱溶液对添加剂进行表面处理,使添加剂表面的官能团发生变化或调解添加剂的酸碱性,以与树脂相匹配可以大大提高两者相容性。表面酸碱处理是一种比较古老的表面处理方法,典型的处理剂为氢氧化钠,早期主要用于木材造纸和皮革鞣制。目前表面酸碱处理主要用于有机填料的表面处理,无机填料则很少使用。

表1-16 不同表面处理材料对PP/30%GF复合体系性能的影响

5.表面稀土处理

用稀土材料对添加剂进行表面处理,其效果要好于偶联剂处理,具体效果可参见表1-16所示。

6.表面等离子体处理

等离子体是物质能量较高的一种聚集态,也称为物质固态、液态和气态之后的第四态。等离子体中含有电子、解离的原子、游离处于激发态和未激发的中性原子及紫外光等,可使添加剂表面发生多种化学变化,生成多种含氧基团,大大提高其表面的疏水性,改善与树脂的相容性。等离子体表面处理为一种新型技术,具有处理温度低、时间短、效率高等优点,但是以前经常被忽略,好在目前的应用面有越来越扩大的趋势。