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聚合物共混改性原理与应用聚合物共混改性原理与应用聚合物共混改性原理与应用聚合物共混改性原理与应用8 8本讲稿第一页，共五十四页第第8 8章章 聚合物填充体系与聚合物填充体系与 短纤维增强体系短纤维增强体系本讲稿第二页，共五十四页v聚合物的填充体系：聚合物的填充体系：在聚合物基体中添加与基在聚合物基体中添加与基体在体在组成和结构组成和结构上不同的固体添加物的复合体上不同的固体添加物的复合体系。系。v作用：作用：可以获得具有独特功能的高分子材料；可以获得具有独特功能的高分子材料；可以提高塑料制品的物理机械性能，增加附加可以提高塑料制品的物理机械性能，增加附加值；值；可以在保证使用性能要求的前提下降低塑料制可以在保证使用性能要求的前提下降低塑料制品的成本。品的成本。v组成：组成：树脂、填充剂、辅助材料树脂、填充剂、辅助材料本讲稿第三页，共五十四页填充塑料的构成填充塑料的构成v树脂：良好的综合性能树脂：良好的综合性能 对填料具有较强粘接力对填料具有较强粘接力 良好的工艺性能良好的工艺性能 用于构成填充塑料的热塑性树脂主要有聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树用于构成填充塑料的热塑性树脂主要有聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚氯乙烯树脂等；构成填充塑料的热固性树酯主要有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和脂等；构成填充塑料的热固性树酯主要有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。聚酯树脂等。v填料：性能填料：性能-外观、物理、化学及其它性能外观、物理、化学及其它性能 用量用量v偶联剂及表面处理剂：偶联剂及表面处理剂：v其它助剂：加工助剂其它助剂：加工助剂 稳定剂稳定剂 功能性助剂功能性助剂本讲稿第四页，共五十四页8.1 8.1 填充剂与增强纤维简介填充剂与增强纤维简介填充剂的种类填充剂的种类v按形状划分：按形状划分：粉状、粒状、片状、纤维状粉状、粒状、片状、纤维状v按化学成分划分：按化学成分划分：碳酸盐类碳酸盐类硫酸盐类硫酸盐类金属氧化物类金属氧化物类金属粉类金属粉类金属氢氧化物类金属氢氧化物类含硅化合物类含硅化合物类碳素类碳素类有机天然材料：有机天然材料：木粉、淀粉木粉、淀粉本讲稿第五页，共五十四页碳酸钙碳酸钙v分类：分类：v作用：作用：降低产品成本，改善性能降低产品成本，改善性能陶土（高岭土）陶土（高岭土）v成分：成分：v性能：性能：优良的电绝缘性能优良的电绝缘性能v应用：应用：重质碳酸钙（不规则形状）重质碳酸钙（不规则形状）轻质碳酸钙（针状）轻质碳酸钙（针状）活性碳酸钙活性碳酸钙塑料塑料橡胶橡胶本讲稿第六页，共五十四页滑石粉滑石粉v成分：成分：v形状：形状：层片状层片状v应用：应用：云母云母v成分：成分：硅酸钾铝硅酸钾铝v形状：形状：鳞片状鳞片状v性能：性能：有玻璃般光泽，良好的电绝缘性，加工有玻璃般光泽，良好的电绝缘性，加工 性能好。性能好。v应用：应用：塑料塑料橡胶橡胶塑料塑料橡胶橡胶本讲稿第七页，共五十四页二氧化硅（白炭黑）二氧化硅（白炭黑）v应用：应用：硅灰石硅灰石v成分：成分：v形状：形状：针状针状v性能：性能：化学稳定性、电绝缘性好，吸油率低，化学稳定性、电绝缘性好，吸油率低，价格低廉。价格低廉。v应用：应用：塑料塑料橡胶橡胶本讲稿第八页，共五十四页二氧化钛（钛白粉）二氧化钛（钛白粉）v应用：应用：氢氧化铝氢氧化铝v性能：性能：热分解时生成水，可吸收大量热量。热分解时生成水，可吸收大量热量。v应用：应用：塑料塑料橡胶橡胶本讲稿第九页，共五十四页炭黑炭黑v应用：应用：粉煤灰粉煤灰v成分：成分：v形状：形状：圆形光滑微珠圆形光滑微珠v应用：应用：塑料塑料橡胶橡胶本讲稿第十页，共五十四页玻璃微珠玻璃微珠v成分：成分：v形状：形状：圆球形圆球形v应用：应用：金属粉末金属粉末v性能：性能：提高导热性、降低膨胀系数、降低摩擦提高导热性、降低膨胀系数、降低摩擦力、防辐射。力、防辐射。实心玻璃微珠实心玻璃微珠中空玻璃微珠中空玻璃微珠本讲稿第十一页，共五十四页天然材料填充剂天然材料填充剂木粉、竹纤维、麻纤维、秸秆纤维、果壳粉、淀木粉、竹纤维、麻纤维、秸秆纤维、果壳粉、淀粉粉本讲稿第十二页，共五十四页v增强纤维增强纤维玻璃纤维玻璃纤维性能：性能：拉伸强度高而弹性模量低；热导率比较拉伸强度高而弹性模量低；热导率比较 小；耐腐蚀；绝缘材料，好的透明性。小；耐腐蚀；绝缘材料，好的透明性。碳纤维碳纤维性能：性能：其应力其应力-应变曲线为直线，在断裂前是弹应变曲线为直线，在断裂前是弹 性体；耐高温；导电。性体；耐高温；导电。芳纶纤维芳纶纤维性能：性能：高强度、高模量、质轻。高强度、高模量、质轻。其它纤维其它纤维晶须晶须性能：性能：改善加工流动性，耐热性，质轻，高强度，较高改善加工流动性，耐热性，质轻，高强度，较高 性价比。性价比。本讲稿第十三页，共五十四页8.2 8.2 填充剂及填充体系的性能填充剂及填充体系的性能v填充剂的基本性能填充剂的基本性能 填充剂的细度填充剂的细度 填充剂的形状填充剂的形状 填充剂的表面特性填充剂的表面特性 其它特性其它特性本讲稿第十四页，共五十四页v填充剂对填充体系性能的影响填充剂对填充体系性能的影响 力学性能力学性能 结晶性能结晶性能 热学性能热学性能 熔体流变性能熔体流变性能本讲稿第十五页，共五十四页8.3 8.3 填充剂的表面改性填充剂的表面改性v在填充改性聚合物中所使用的填料大部分是天然的或人工在填充改性聚合物中所使用的填料大部分是天然的或人工合成的无机填料。这些无机填料无论是盐、氧化物，还是合成的无机填料。这些无机填料无论是盐、氧化物，还是金属粉体，都属于金属粉体，都属于极性的、亲水性极性的、亲水性物质，当它们分散于物质，当它们分散于极极性极小性极小的有机高分子树脂中时，因极性的差别，造成二者相容的有机高分子树脂中时，因极性的差别，造成二者相容性不好，从而对填充塑料的加工性能和制品的使用性能带来不性不好，从而对填充塑料的加工性能和制品的使用性能带来不良影响。因此对无机填料表面进行适当处理，通过化学反应或良影响。因此对无机填料表面进行适当处理，通过化学反应或物理方法使其表面极性接近所填充的高分子树脂，改善其相容物理方法使其表面极性接近所填充的高分子树脂，改善其相容性是十分必要的。性是十分必要的。本讲稿第十六页，共五十四页填料表面处理应遵循如下原则填料表面处理应遵循如下原则1、应选择填料表面处理后极性接近于聚合物极性的处理剂；、应选择填料表面处理后极性接近于聚合物极性的处理剂；2、填料表面含有反应性较大的官能团，则应选择能与这些官能团在处理或填充工艺过程、填料表面含有反应性较大的官能团，则应选择能与这些官能团在处理或填充工艺过程中能发生化学反应的处理剂；中能发生化学反应的处理剂；3、填料表面如呈酸或、填料表面如呈酸或(碱碱)性，则处理剂应选用碱性性，则处理剂应选用碱性(或酸性或酸性)；如填料表面呈现氧化性；如填料表面呈现氧化性(或或还原性还原性)，处理剂应选用还原性，处理剂应选用还原性(或氧化性或氧化性)，如填料表面具有阳离子，如填料表面具有阳离子(或阴离子或阴离子)交换性，交换性，则处理剂应选用可与其阳离子则处理剂应选用可与其阳离子(或阴离子或阴离子)进行置换的类型；进行置换的类型；本讲稿第十七页，共五十四页4、对处理剂而言，能与填料表面发生化学结合的比未发生化学结合的效果好；、对处理剂而言，能与填料表面发生化学结合的比未发生化学结合的效果好；长链基的比同类型的短链基效果好；长链基的比同类型的短链基效果好；处理剂链基上含有与聚合物发生化学结合的反应基团的比不含反应基团的效果好；处理剂链基上含有与聚合物发生化学结合的反应基团的比不含反应基团的效果好；处理剂链基末端为支链的比同类型而末端为直链的效果好；处理剂链基末端为支链的比同类型而末端为直链的效果好；此外应选用在聚合物加工工艺条件下不分解、不变色以及不从填料表面脱落此外应选用在聚合物加工工艺条件下不分解、不变色以及不从填料表面脱落的处理剂的处理剂。本讲稿第十八页，共五十四页表面处理剂及作用机理表面处理剂及作用机理v填料表面处理的作用机理基本上有两种类型：一是表面物理作用，包括表面涂覆（或称为包覆）填料表面处理的作用机理基本上有两种类型：一是表面物理作用，包括表面涂覆（或称为包覆）和表面吸附；二是表面化学作用，包括表面取代、水解、聚合和接枝等。和表面吸附；二是表面化学作用，包括表面取代、水解、聚合和接枝等。填料表面处理物理作用示意图本讲稿第十九页，共五十四页填料表面处理化学作用示意图本讲稿第二十页，共五十四页8.3 8.3 填充剂的表面改性填充剂的表面改性v表面改性剂的种类表面改性剂的种类 偶联剂偶联剂 表面活性剂表面活性剂 有机高分子处理剂有机高分子处理剂 无机处理剂无机处理剂本讲稿第二十一页，共五十四页v其分子结构特点是含有两类性质不同的化学基团，一是亲其分子结构特点是含有两类性质不同的化学基团，一是亲无机基团，另一是亲有机基团。无机基团，另一是亲有机基团。v其分子结构可用下式表示：其分子结构可用下式表示：(RO)(RO)x x一一M MA Ay yvRORO代表易进行水解或交换反应的短链烷氧基。代表易进行水解或交换反应的短链烷氧基。vM M代表中心原子，可以是硅、钛、铝、硼等。代表中心原子，可以是硅、钛、铝、硼等。vA A代表与中心原子结合稳定的较长链亲有机基团，如酯酰代表与中心原子结合稳定的较长链亲有机基团，如酯酰基、长链烷氧基基、长链烷氧基(RO-)(RO-)、磷酸酯酰基等。、磷酸酯酰基等。偶联剂偶联剂本讲稿第二十二页，共五十四页钛酸酯偶联剂钛酸酯偶联剂单烷氧基型单烷氧基型单烷氧基焦磷酸酯型单烷氧基焦磷酸酯型螯合型螯合型配位型配位型本讲稿第二十三页，共五十四页单烷氧基型单烷氧基型v分子中只保留一个易水解的短链烷氧基。因此适用于表面不含游离水而只含单分子层吸附水分子中只保留一个易水解的短链烷氧基。因此适用于表面不含游离水而只含单分子层吸附水或表面有羟基、羧基的无机填料，如碳酸钙、氢氧化铝、氧化锌、三氧化二锑等，目前应用或表面有羟基、羧基的无机填料，如碳酸钙、氢氧化铝、氧化锌、三氧化二锑等，目前应用最多的是这一类型的三异硬脂酰氧钛酸异丙酯最多的是这一类型的三异硬脂酰氧钛酸异丙酯(TTS)，其在填料表面的偶联机理如图，其在填料表面的偶联机理如图所示。所示。本讲稿第二十四页，共五十四页单烷氧基焦磷酸酯型单烷氧基焦磷酸酯型v分子中较长链基为焦磷酯基，适用于含水量较高的无机填料，如高岭土、滑分子中较长链基为焦磷酯基，适用于含水量较高的无机填料，如高岭土、滑石粉、氢氧化铝、氢氧化镁等，用这类钛酸酯偶联剂处理填料时，除短链的石粉、氢氧化铝、氢氧化镁等，用这类钛酸酯偶联剂处理填料时，除短链的单烷氧基与填料的羟基、羧基反应之外，游离水会使部分焦磷酸酯水解成磷单烷氧基与填料的羟基、羧基反应之外，游离水会使部分焦磷酸酯水解成磷酸酯，其在填料表面的偶联机理如图。酸酯，其在填料表面的偶联机理如图。本讲稿第二十五页，共五十四页螯合型螯合型本讲稿第二十六页，共五十四页应应 用用v钛酸酯偶联剂可用来处理各种无机填料，如碳酸钙、滑石粉、硫酸钡及三水合钛酸酯偶联剂可用来处理各种无机填料，如碳酸钙、滑石粉、硫酸钡及三水合氧化铝等。氧化铝等。v经过处理的填料主要用于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等热塑性经过处理的填料主要用于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等热塑性塑料。塑料。v较之不经表面处理直接使用这些无机填料，有改善填充体系加工流动性较之不经表面处理直接使用这些无机填料，有改善填充体系加工流动性和提高物理力学性能的效果。由于使用填料的化学成分不同，基体树脂和提高物理力学性能的效果。由于使用填料的化学成分不同，基体树脂种类不同，必须选用适当的钛酸酯偶联剂才能得到最佳效果。种类不同，必须选用适当的钛酸酯偶联剂才能得到最佳效果。本讲稿第二十七页，共五十四页硅烷偶联剂偶联作用示意图硅烷偶联剂偶联作用示意图硅烷偶联剂硅烷偶联剂RSiX3本讲稿第二十八页，共五十四页RSiX3本讲稿第二十九页，共五十四页铝酸酯偶联剂铝酸酯偶联剂本讲稿第三十页，共五十四页铝酸酯偶联剂处理填料作用机理(示意)本讲稿第三十一页，共五十四页特特 点点v铝酸酯偶联刑具有与天机填料表面反应活性大、色浅、无毒、味小、热分解温度铝酸酯偶联刑具有与天机填料表面反应活性大、色浅、无毒、味小、热分解温度较高、适用范围广、使用时无须稀释以及包装运输和使用方便等特点。较高、适用范围广、使用时无须稀释以及包装运输和使用方便等特点。v研究中还发现在研究中还发现在PVC填充体系中铝酸酯偶联剂有很好的热稳定协同效应和一填充体系中铝酸酯偶联剂有很好的热稳定协同效应和一定的润滑增塑效果。定的润滑增塑效果。本讲稿第三十二页，共五十四页v表面活性剂是指极少量即能显著改变物质表面活性剂是指极少量即能显著改变物质表面或界面性质表面或界面性质的物质。的物质。其分子结构特点是包含着两个组成部分，其一是一个较长的非其分子结构特点是包含着两个组成部分，其一是一个较长的非极性烃基，称为疏水基；另一是一个较短的极性基，称为亲水极性烃基，称为疏水基；另一是一个较短的极性基，称为亲水基。基。v表面活性剂按溶于水是否电离，分为离子型和非离子型两表面活性剂按溶于水是否电离，分为离子型和非离子型两大类。而离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子大类。而离子型又可分为阴离子型、阳离子型和两性离子型。按分子大小可分为小分子表面活性剂和高分子表面活型。按分子大小可分为小分子表面活性剂和高分子表面活性剂。性剂。表面活性剂表面活性剂本讲稿第三十三页，共五十四页表面活性剂在界面上的作用表面活性剂在界面上的作用 v表面活性剂分子的两亲结构，使其有在物质表面或界面上定向表面活性剂分子的两亲结构，使其有在物质表面或界面上定向排列的强烈倾向，因而排列的强烈倾向，因而表表(界界)面张力明显下降面张力明显下降，这是表面活，这是表面活性剂表面活性最重要性质之一。在聚合物性剂表面活性最重要性质之一。在聚合物/无机填料体系无机填料体系中加入一定量的表面活性剂，可以降低聚合物与填料间的界面中加入一定量的表面活性剂，可以降低聚合物与填料间的界面张力，明显改善聚合物张力，明显改善聚合物/填料界面间的结合状况，有利于制填料界面间的结合状况，有利于制备高性能的填充复合材料。备高性能的填充复合材料。本讲稿第三十四页，共五十四页v各类表面活性剂和偶联剂基本上都是小分子物质，在处各类表面活性剂和偶联剂基本上都是小分子物质，在处理填料上仍存在其不足之处，主要是填料填充量进一步理填料上仍存在其不足之处，主要是填料填充量进一步提高或对制品性能要求更高时，就发现小分子物质处理提高或对制品性能要求更高时，就发现小分子物质处理填料表面无法解决制品性能劣化的难题，而用高分子作填料表面无法解决制品性能劣化的难题，而用高分子作为处理剂在克服这一困难显示了其优越性为处理剂在克服这一困难显示了其优越性 。有机高分子处理剂有机高分子处理剂本讲稿第三十五页，共五十四页v表面改性的方法表面改性的方法按设备与工艺分类按设备与工艺分类干法改性干法改性湿法改性湿法改性气相法改性气相法改性加工现场处理法加工现场处理法本讲稿第三十六页，共五十四页干干 法法v干法处理的原理是填料在干态下借高速混合作用和一定温度下使处理剂均匀干法处理的原理是填料在干态下借高速混合作用和一定温度下使处理剂均匀地作用于填料粉体颗粒表面，形成一个极薄的表面处理层地作用于填料粉体颗粒表面，形成一个极薄的表面处理层。本讲稿第三十七页，共五十四页湿湿 法法v填料表面的湿法处理是指填料粉体在湿态，即主要是在水溶液中进行表面处理。填料表面的湿法处理是指填料粉体在湿态，即主要是在水溶液中进行表面处理。v填料表面湿法处理的原理是填料在处理剂的水溶液或水乳液中，通过填料表面吸咐作填料表面湿法处理的原理是填料在处理剂的水溶液或水乳液中，通过填料表面吸咐作用或化学作用而使处理剂分子结合于填料表面，因此处理剂应是溶于水或可乳化分散用或化学作用而使处理剂分子结合于填料表面，因此处理剂应是溶于水或可乳化分散于水中，既可用于物理作用的表面处理，也可用于化学作用的表面处理。于水中，既可用于物理作用的表面处理，也可用于化学作用的表面处理。v常用的处理剂有脂肪酸盐、树脂酸盐等表面活性剂、水稳定性的鳌合型铝酸酯、钛酸常用的处理剂有脂肪酸盐、树脂酸盐等表面活性剂、水稳定性的鳌合型铝酸酯、钛酸酯及硅烷偶联剂和高分子聚电解质等。酯及硅烷偶联剂和高分子聚电解质等。本讲稿第三十八页，共五十四页加工现场处理法加工现场处理法v加工现场处理法是指应用填料时直接在原工艺流程的某一步骤中对填料进行表面处理的加工现场处理法是指应用填料时直接在原工艺流程的某一步骤中对填料进行表面处理的一类方法。一类方法。v常见的有捏合处理法、反应挤出处理法和研磨处理法。常见的有捏合处理法、反应挤出处理法和研磨处理法。本讲稿第三十九页，共五十四页等离子体处理等离子体处理 v等离子体是一种电离气体，是电子、离子、和中性离子的独立集合体，宏观上呈电中性，但它具有很高的能量，与等离子体是一种电离气体，是电子、离子、和中性离子的独立集合体，宏观上呈电中性，但它具有很高的能量，与有机物原子间的键能相当。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体是由稀薄气体在低压下用有机物原子间的键能相当。等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。低温等离子体是由稀薄气体在低压下用激光、射频或微波电源激发辉光放电产生，电子温度激光、射频或微波电源激发辉光放电产生，电子温度30050000K，而气体温度很低，大致在室温至上百摄氏度。在高分子，而气体温度很低，大致在室温至上百摄氏度。在高分子材料改性方面通常采用的是低温等离子体。材料改性方面通常采用的是低温等离子体。v采用等离子体处理可以使填料表面产生有利于与聚合物相容的结构变化，从而实现改善填料采用等离子体处理可以使填料表面产生有利于与聚合物相容的结构变化，从而实现改善填料/聚合物界面状态，提高聚合填聚合物界面状态，提高聚合填充体系的使用和加工性能。充体系的使用和加工性能。Schreiber等用等用Ar 等离子体和甲烷等离子体处理等离子体和甲烷等离子体处理CaCO3 填料表面改性，结果表明，处理后的填料表面改性，结果表明，处理后的CaCO3 与线型低密度聚乙烯与线型低密度聚乙烯(LLDPE)有较好的界面粘结性，这是由于改性后的有较好的界面粘结性，这是由于改性后的CaCO3 填料表面存在一非极性有机填料表面存在一非极性有机层，从而降低了层，从而降低了CaCO3 表面能动性，改善了表面能动性，改善了CaCO3 在在PE 中的分散性。中的分散性。v目前国内外用等离子体技术对填料进行处理的研究主要集中在碳酸钙、二氧化硅、云母、纤维素、石墨、陶瓷、碳纤维等方面。目前国内外用等离子体技术对填料进行处理的研究主要集中在碳酸钙、二氧化硅、云母、纤维素、石墨、陶瓷、碳纤维等方面。本讲稿第四十页，共五十四页8.4 8.4 聚合物填充体系的界面聚合物填充体系的界面一、填料与树脂界面的形成一、填料与树脂界面的形成：两个阶段：两个阶段：1 1、树脂与填料的接触及浸润、树脂与填料的接触及浸润 无机填料多为高能表面物质，而有机聚合物树脂则为低能表面物质，前无机填料多为高能表面物质，而有机聚合物树脂则为低能表面物质，前者所含各种基团将优先吸附那些能最大限度降低填料表面能的物质。只有充者所含各种基团将优先吸附那些能最大限度降低填料表面能的物质。只有充分地吸附，填料才能被树脂良好地浸润。分地吸附，填料才能被树脂良好地浸润。2 2、树脂固化、树脂固化 对于热塑性树脂，该固化过程为物理变化，即树脂由熔融态被冷却到熔点对于热塑性树脂，该固化过程为物理变化，即树脂由熔融态被冷却到熔点以下而凝固；对于热固性树脂，因化过程除物理变化外，同时还有依靠其本以下而凝固；对于热固性树脂，因化过程除物理变化外，同时还有依靠其本身官能团之间或借助固化剂而进行的化学变化。身官能团之间或借助固化剂而进行的化学变化。本讲稿第四十一页，共五十四页二、填充塑料界面的结构二、填充塑料界面的结构本讲稿第四十二页，共五十四页纤维与树脂基体界面粘接状况对比(a)界面粘接不良(b)界面粘接良好本讲稿第四十三页，共五十四页v填充聚合物的界面既不是填料与树脂基体简单结合的二维边界，也不是所谓的填充聚合物的界面既不是填料与树脂基体简单结合的二维边界，也不是所谓的单分子层，而是包含着两相表面之间过渡区而形成的三维界面相。在界面相区单分子层，而是包含着两相表面之间过渡区而形成的三维界面相。在界面相区域里化学组分、分子排列、热性能、力学性能可以表现为梯度变化，也可能呈域里化学组分、分子排列、热性能、力学性能可以表现为梯度变化，也可能呈现突变的特征。现突变的特征。v使界面区结构产生复杂变化的原因如下使界面区结构产生复杂变化的原因如下：界面区树脂的密度界面区树脂的密度 界面区树脂的结晶界面区树脂的结晶 界面区化学组成界面区化学组成 本讲稿第四十四页，共五十四页界面区对填充塑料性能的贡献：界面区对填充塑料性能的贡献：1）通过界面区使填料与基体树脂结合成一个整体，并通过它传递应力。）通过界面区使填料与基体树脂结合成一个整体，并通过它传递应力。2）界面的存在有阻止裂纹扩展和减缓应力集中的作用。）界面的存在有阻止裂纹扩展和减缓应力集中的作用。3）在界面区，填充塑料若干性能产生不连续性，因而导致填充塑料可能）在界面区，填充塑料若干性能产生不连续性，因而导致填充塑料可能出现某些特殊功能。出现某些特殊功能。三、填充塑料界面的作用及作用机理三、填充塑料界面的作用及作用机理本讲稿第四十五页，共五十四页填充塑料界面作用机理填充塑料界面作用机理 1、化学键理论、化学键理论 此理论认为，界面粘接是通过化学键的建立而实现的。当填料及树脂之间具有可反应的此理论认为，界面粘接是通过化学键的建立而实现的。当填料及树脂之间具有可反应的官能团以及在使用恰当的偶联剂场合，这一理论无疑是正确的。官能团以及在使用恰当的偶联剂场合，这一理论无疑是正确的。2、表面浸润理论、表面浸润理论 此理论认为，所有粘结剂的首要要求是必须浸润填料，若完全浸润，则由物理吸此理论认为，所有粘结剂的首要要求是必须浸润填料，若完全浸润，则由物理吸附所提供的粘结强度能超过树脂的内聚能。浸润理论可作为化学键理论的一个补充，附所提供的粘结强度能超过树脂的内聚能。浸润理论可作为化学键理论的一个补充，但却不能排斥化学键理论。但却不能排斥化学键理论。3、酸碱作用理论、酸碱作用理论 当填料和聚合物的表面酸碱性可以很好的匹配，理论上就可实现强的界面粘合；当填料和聚合物的表面酸碱性可以很好的匹配，理论上就可实现强的界面粘合；若不能匹配，例如两者表面都呈现较强的酸性，或同时都呈现较强的碱性，则必然不若不能匹配，例如两者表面都呈现较强的酸性，或同时都呈现较强的碱性，则必然不利于界面粘合。利于界面粘合。本讲稿第四十六页，共五十四页 界面作用类型：1）界面层两面都是化学结合；）界面层两面都是化学结合；2）界面层一面是化学结合，另一面是酸、碱作用；）界面层一面是化学结合，另一面是酸、碱作用；3）界面层一面是化学结合，另一面是色散作用；）界面层一面是化学结合，另一面是色散作用；4）界面层两面都是酸、碱作用；）界面层两面都是酸、碱作用；5）界面层一面是酸、碱作用，另一面是色散作用；）界面层一面是酸、碱作用，另一面是色散作用；6）界面层两面都是色散作用。）界面层两面都是色散作用。本讲稿第四十七页，共五十四页8.5 8.5 聚合物增强体系聚合物增强体系v增强改性增强改性往往是通过使用玻璃纤维、碳纤维、金属纤维以及往往是通过使用玻璃纤维、碳纤维、金属纤维以及云母、硅灰石等具有云母、硅灰石等具有特大长径比特大长径比或或径厚比径厚比的填料，这些填料的填料，这些填料加入到塑料中后对材料的力学性能和耐热性能有显著贡献。加入到塑料中后对材料的力学性能和耐热性能有显著贡献。本讲稿第四十八页，共五十四页短纤维增强热塑性聚合物复合材料短纤维增强热塑性聚合物复合材料 v短纤维增强热塑性复合材料最早出现于短纤维增强热塑性复合材料最早出现于1951年，但是直到年，但是直到20世纪世纪60年代中期螺年代中期螺杆注塑机被广泛使用后，短纤维复合材料才得以批量生产。杆注塑机被广泛使用后，短纤维复合材料才得以批量生产。v短纤维增强热塑性塑料与作为基体的热塑性塑料相比，具有明显的性能优势，主短纤维增强热塑性塑料与作为基体的热塑性塑料相比，具有明显的性能优势，主要表现在：要表现在：(1)沿纤维取向方向的强度、比强度有显著提高；沿纤维取向方向的强度、比强度有显著提高；(2)高温下强度高；高温下强度高；(3)抗抗蠕变性能显著提高；蠕变性能显著提高；(4)耐特殊环境如高温、紫外光等性能显著提高；耐特殊环境如高温、紫外光等性能显著提高；(5)抗冲击性及抗抗冲击性及抗热冲击性好；热冲击性好；(6)耐疲劳性改善。耐疲劳性改善。v与热固性增强塑料相比又具有易加工，可进行一体化制品设计及便于回收利用等。与热固性增强塑料相比又具有易加工，可进行一体化制品设计及便于回收利用等。本讲稿第四十九页，共五十四页v热塑性塑料：热塑性塑料：PPPP、PAPA、PCPC、PBT PBT 纤维：纤维：玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维v优点：轻质高强优点：轻质高强 耐热性耐热性 耐腐蚀性耐腐蚀性v原理：利用纤维与聚合物良好的界面结合，将作用于原理：利用纤维与聚合物良好的界面结合，将作用于复合材料的外力传导到纤维上，使纤维的强度得到充复合材料的外力传导到纤维上，使纤维的强度得到充分发挥。分发挥。v方法：方法：保持短纤维在复合材料中有一定长度保持短纤维在复合材料中有一定长度 对纤维进行表面处理，以保证纤维与聚合物对纤维进行表面处理，以保证纤维与聚合物良好的界面结合良好的界面结合 短纤维增强热塑性塑料短纤维增强热塑性塑料本讲稿第五十页，共五十四页短纤维增强聚合物基复合材料的增强机理短纤维增强聚合物基复合材料的增强机理 应力传递理论单根纤维埋入基体模型受力前后变形示意图(a)受力前 b)受力后 复合材料受到平行于纤维方向上的复合材料受到平行于纤维方向上的拉力时，由于纤维的弹性模量一般大于拉力时，由于纤维的弹性模量一般大于基体的弹性模量，基体应变将会大于纤基体的弹性模量，基体应变将会大于纤维应变但因基体与纤维是紧密结合在维应变但因基体与纤维是紧密结合在一起的，纤维将限制基体过大的变形，一起的，纤维将限制基体过大的变形，于是在基体与纤维之间的界面部分便产于是在基体与纤维之间的界面部分便产生了剪应力和剪应变，并将所承受的载生了剪应力和剪应变，并将所承受的载荷合理分配到纤维和基体这两种组分上。荷合理分配到纤维和基体这两种组分上。纤维通过界面沿纤维轴向的剪应力传递纤维通过界面沿纤维轴向的剪应力传递载荷，会受到比基体中更大的应力，这载荷，会受到比基体中更大的应力，这就是纤维能增强基体的原因。就是纤维能增强基体的原因。本讲稿第五十一页，共五十四页8.6 8.6 聚合物填充阻燃体系聚合物填充阻燃体系v阻燃剂的基本分类阻燃剂的基本分类有机阻燃填料有机阻燃填料磷系磷系氯系氯系溴系溴系(十溴二苯醚十溴二苯醚)氮系氮系(三聚氰胺及其衍生物三聚氰胺及其衍生物)无机阻燃填料：无机阻燃填料：氢氧化物、锑化合物、红磷、氢氧化物、锑化合物、红磷、聚磷酸铵、硼化合物聚磷酸铵、硼化合物（添加型）（添加型）本讲稿第五十二页，共五十四页氢氧化铝氢氧化铝优点：缺点：硼酸锌硼酸锌氢氧化镁氢氧化镁本讲稿第五十三页，共五十四页填充型阻燃剂的协同效应填充型阻燃剂的协同效应v氢氧化铝氢氧化铝/氢氧化镁氢氧化镁v硼酸锌硼酸锌v含磷阻燃剂含磷阻燃剂v有机硅化合物、含氟化合物有机硅化合物、含氟化合物v氢氧化铝氢氧化铝/含卤阻燃剂含卤阻燃剂v含卤阻燃剂含卤阻燃剂/硼酸锌硼酸锌v含卤阻燃剂含卤阻燃剂/三氧化二锑三氧化二锑本讲稿第五十四页，共五十四页