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纳米碳酸钙增强增韧聚丙烯研究进展

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-07-21 16:35 阅读：6571

聚丙烯（Polypropylene，缩写PP）是一种半结晶聚合物，质量轻，化学稳定性好，易于加工成型，广泛应用于汽车工业、家用电器、电子、包装、医疗及建材家具等领域，全球产能高达1亿t/a，是第二大通用合成树脂。但纯PP的强度低、脆性大、耐光性能差、断裂韧性低等，限制了其使用范围^[1]。PP的改性方法主要分为化学改性和物理改性两大类。化学改性是指，采用共聚、接枝、交联等方法将功能基团引入PP的分子链，引起材料的聚集态结构改变，从而影响PP的性能^[2]。这种方法能够实现对PP结构的调控，但其在实际生产中工艺较为繁琐、生产周期长。相比之下，物理改性PP生产工艺条件简单、手段灵活、见效快，同时也能与化学改性形成互补。例如，橡胶或弹性体增韧PP的效果优异，但同时也会导致拉伸强度和弹性模量的降低，因此通过填充改性引入刚性粒子作为改性剂的研究受到关注^[2]。目前常用的PP物理改性方法有，填充改性、共混改性、成核剂改性。其中，填充改性是在塑料中加入非金属矿粉或其他相对便宜的材料，以降低产品材料成本并提高塑料的性能^[2]。有研究指出，无机填料颗粒等分子会阻碍PP分子链的运动，从而影响其晶型、结晶度、分子链间的作用力、玻璃化转变温度与注塑工艺条件等。填充改性在降低成本的同时增强了PP材料在某些方面的力学性能^[2]。目前常用的填充材料有纳米碳酸钙（nano-CaCO₃）、硅酸盐（滑石粉、云母粉）、玻璃纤维（Glass fiber）、金属粉末、白炭黑（Whitecar bonblack）、石墨（Grap hite）等^[3]。

纳米碳酸钙改性聚丙烯

无机纳米粒子中，纳米碳酸钙价格低廉，性能优良，是20世纪80年代发展起来的一种新型超细固体粉末材料，其粒度介于0.01～0.1μm之间。由于纳米CaCO₃粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应。与其他填料相比，纳米碳酸钙在分散性、补强效果、功能性，使用成本等方面有较大的优势^[4]。一般而言，纳米CaCO₃可以增加塑料制品体积，提升制品的硬度和强度，改善塑料加工性能，并增强塑料制品的耐热性、弯曲强度、弹性模量等各项性能指标。杨春林^[5]等采用硅烷偶联剂对纳米CaCO₃进行表面改性，将表面改性CaCO₃与热塑性弹性体（TPE）、聚丙烯（PP）熔融共混，制备了PP/TPE/表面改性CaCO₃复合材料，表征并研究了其结构与性能。结果表明：加入表面改性CaCO₃使复合材料的储能模量、损耗模量和复数黏度增加。与纯PP相比，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了6.5%，11.5%，3.0%。

纳米碳酸钙改性聚丙烯应用研究

3.1汽车用聚丙烯汽车轻量化的一个趋势是制件的薄壁化，需要材料具有高刚性和高韧性，以满足制件在外部压力和撞击的应用需求。杨婷^[6]等以甘蔗渣纤维（BF）、聚丙烯（PP）为原料，添加纳米碳酸钙（CaCO₃）挤出制备PP/BF/CaCO₃复合材料。研究表明，纳米CaCO₃的加入使复合材料的力学性能增加，填充质量分数为9%的纳米CaCO₃时，PP/BF/纳米CaCO₃复合材料的力学性能最好，相比于未添加纳米CaCO₃时，拉伸强度提高了20.7%，弯曲强度提高了14.6%，缺口冲击强度提高了20.0%。随着添加纳米CaCO₃含量增加，PP/BF/纳米CaCO₃复合材料的热稳定性也逐渐提高。该材料应用于汽车专用材料，改性塑料的刚性、韧性、弯曲强度和热塑性都有明显改善。PP密度小、耐化学腐蚀、加工性好、成本低，作为一种通用塑料用于汽车保险杠。但PP低温脆性大、模缩率大、着色性能不好，应用于汽车保险杠之前必须进行改性处理。刘哲^[7]等研究了纳米颗粒对制造汽车仪表板、内饰件、保险杠常用材料，抗冲聚丙烯树脂力学性能和微观形貌的影响规律，发现纳米碳酸钙可提高抗冲聚丙烯树脂的缺口冲击强度。实验结果显示，加入不同含量的纳米碳酸钙，PP树脂的弯曲性能基本不变，但常温冲击强度和热变形温度，随着碳酸钙加入量的增加而缓慢提高。3.2通用聚丙烯线材/母粒刘科^[8]等采用口模拉伸装置，成功连续制备出了超轻高强的PP/CaCO₃复合线材。CaCO₃颗粒引入，使基体与颗粒在拉伸时发生剥离，形成的空穴是复合线材密度降低的本源。口模拉伸改变了PP的聚集态结构，实现大分子链、链段和晶片的高度取向，使复合线材的强度大幅度提高。Palani kumar^[9]等通过双螺杆挤压机将碳酸钙与聚丙烯以不同比例进行混炼造粒，采用圆盘式磨损试验机对聚丙烯复合材料进行不同载荷、速度和滑动距离的测试从而研究其耐磨性及弹性性能。随着碳酸钙质量分数从1%逐渐提升至10%，聚丙烯复合材料耐磨性呈阶梯式递增，最终可提升70%。3.3混凝土改性用聚丙烯近年来，诸多新型混凝土材料相继问世，并得到广泛应用。特别是改性纤维混凝土，具有优良的物理和力学性能，能有效地抑制混凝土温度裂缝的产生，明显改善了混凝土的韧性、抗弯、抗冲击性能^[10]。焦洋^[11]等通过熔融共混法制备聚丙烯/碳酸钙（PP/CaCO₃）复合材料，将混有5%CaCO₃的PP纤维添加到混凝土中，PP纤维能与混凝土材料形成良好的网络结构，增强混凝土内部微观单元之间的作用力，使混凝土的弯曲承载力与原始混凝土相比提高近24.14%，与添加纯PP纤维的混凝土梁相比提高约12.5%，表明改性后的PP纤维能够有效提升混凝土梁的抗弯曲能力。李明伟^[12]等探讨了纳米碳酸钙及其掺量对聚丙烯纤维混凝土抗冻性的影响。结果显示，在聚丙烯纤维混凝土中掺加纳米碳酸钙可有效提升其抗冻性能。综合考虑试验结果和工程的经济性，建议在工程应用中掺加1.5%的纳米碳酸钙。李丽霞^[4]等利用热重法研究了聚丙烯/纳米碳酸钙（PP/nano-CaCO₃）复合材料的热降解，与纯PP相比，复合材料的初始降解温度（T0）、最大失重速率温度（Tm）以及终止失重温度（Tp）都有所提高。随着nano-CaCO₃含量的增大，降解活化能E均呈现先增大后减小的趋势，当含量为7%时，E提高最多，可见纳米碳酸钙可以显著提高PP的热稳定性。3.4抗菌聚丙烯目前，抗菌聚丙烯已成功地应用于食品包装、医疗、洗护等领域，如贝壳粉、牡蛎壳等废弃物与聚丙烯制备的新型抗菌复合材料不断涌现，且抗菌性能优异。医用专用塑料必须具有生物相容性和医学功能性这两种基本特性，还必须经受消毒处理，外观不易破碎，并具有相应的物化和加工性能。碳酸钙材料恰恰兼具生物相容性和医学功能，在制药、医疗检测、干细胞培养等方面已有广泛应用。而且，碳酸钙抗菌材料也早有所突破，河北工业大学^[13]公布过一项“纳米抗菌碳酸钙生产技术”研究成果（专利号ZL200910067771.1），该技术制备的纳米抗菌碳酸钙，粒度分布均匀、白度高、成本低，在有光或无光条件下均能发挥抗菌作用。由此可见，纳米碳酸钙在医用聚丙烯材料改性方面也具备一定的研究价值。

结语

目前，以纳米碳酸钙填充改性聚丙烯材料的研究越来越多，基本围绕增韧改性展开研究。但需要指出的是，纳米碳酸钙改性聚丙烯材料效果相对于其他改性材料并不突出，一方面是我们对于纳米碳酸钙的研究还有所不足，另一方面是新材料改性需求日新月异，单纯依靠纳米碳酸钙或者某一两种材料改性聚丙烯已经不能很好的满足多元化的应用场景。目前来看，纳米碳酸钙在塑料中的个性化、功能化应用亟待突破，其团聚问题要尽快解决，纳米级材料的特殊效应要多加利用，其生物特性也要不断挖掘。

参考文献[1]蒋余想，周建新，周新军，邱海芳.聚丙烯的开发应用综述[J].煤炭与化工，2022，45（09）:121-127+139.[2]李姝姝，马应霞，李广全，刘小燕.物理增韧改性聚丙烯的研究进展[J].塑料工业，2022，50（08）:9-14.[3]潘玉彤，王国辉，贺琪，李学萍，冀婕，刘宇铃，王光硕.改性聚丙烯及其应用研究发展[J].分析化学进展，2022，12（04）:334-340.[4]李丽霞，任金忠.聚丙烯/纳米碳酸钙复合材料的热降解动力学[J].广州化工，2017，45（20）:41-43+52.[5]杨春林，欧梅桂，王光梅，黄贵龙，黄伟江，刘渊，严伟.PP/TPE/表面改性CaCO3复合材料的制备及性能[J].合成树脂及塑料，2022，39（01）:26-30.DOI:10.19825/j.issn.1002-1396.2022.01.06.[6]杨婷，叶有明，徐秋菊.纳米CaCO3对PP/BF复合材料性能影响[J].工程塑料应用，2021，49（05）:44-48.[7]刘哲，赖金梅.纳米颗粒对抗冲聚丙烯树脂力学性能和微观形貌的影响研究[J/OL].石油化工，2021（Z1）:53-58[2023-05-26].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2361.TQ.20220526.1336.020.html[8]刘科，刘义，曾佳，吴世见.超轻高强聚丙烯/碳酸钙线材研究[J].塑料工业，2019，47（02）:48-51.[9]颜安，翁长永，刘毓敏.聚丙烯改性技术及其产品应用进展[J].现代化工，2022，42（S2）:58-61.DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2022.S2.014.[10]蒋余想，周建新，周新军，邱海芳.聚丙烯的开发应用综述[J].煤炭与化工，2022，45（09）:121-127+139.DOI:10.19286/j.cnki.cci.2022.09.035.[11]焦洋，吴佳静，焦健.PP/CaCO3复合材料的制备及用于加固混凝土抗弯性能的研究[J].塑料科技，2021，49（06）:11-14.DOI:10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.003.[12]李明伟，杨兴阶，谭靓.纳米碳酸钙对聚丙烯纤维混凝土抗冻性能影响的试验研究[J].水利科技与经济，2023，29（01）:133-136+145.[13]李刚健，王林，袁炜，周子淳，李瑞龙，焦洪桥，李彦鹏，胡琳.医用聚丙烯材料发展现状[J].化工技术与开发，2020，49（06）:66-70+82.

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