一种粉煤灰空心球/PP复合材料及其制备方法与流程

本发明属于化工材料技术领域，具体涉及一种粉煤灰空心球/PP复合材料及其制备方法。

背景技术：

通常来说，填料填充的聚合物中，无机填料与聚合物基体界面间的相互作用对材料的机械性能有很大影响。当填料与基体的界面粘接较弱，材料受到拉应力时，界面处首先发生脱粘，填料起到了应力集中作用，诱导基体发生形变，随着外载的继续增大，形变不断增大继而材料发生断裂。当界面粘接较强时，应力可以从聚合物通过界面有效传导至填料，而填料的强度远大于聚合物，从而改善聚合物的拉伸强度。

以粉煤灰为原料制备的粉煤灰空心球表面比较光滑，属于无机球形材料，其具有良好的力学性能、化学稳定性和流动性等特点，以粉煤灰空心球为第二相颗粒填料，在复合材料领域得到了广泛应用。由于受到加工形式的限制，目前用作粉煤灰空心球填充聚合物的基体材料大多为热固性树脂，其成型方法多采用浇铸法和模塑法，这是由于在热塑性塑料的加工成型过程中使用大型的挤出机和注塑机会挤压粉煤灰空心球并发生破碎，这将对材料的性能产生较大影响。

粉煤灰是电厂煤粉燃烧的副产品，在燃煤副产物中占有绝对比例且逐年增长，堆贮排放的粉煤灰侵占了大量土地资源，而且粉煤灰中的微量元素进入土壤，对环境造成污染，给人们的生产和生活造成了极大的危害。本发明使用粉煤灰空心球为原料，通过一种简单可行的工艺制备出粉煤灰空心球/PP（聚丙烯）复合材料，其不仅可有效利用粉煤灰资源，具有重要的环保意义，而且可克服粉煤灰空心球与非极性的聚丙烯基体相容性较差的问题，得到一种轻质、高抗冲击的复合材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粉煤灰空心球/PP复合材料及其制备方法，其针对目前无机的粉煤灰空心球与非极性的聚丙烯基体相容性较差的问题，以硅烷偶联剂作为表面活性剂、聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）为增容剂，制备得到一种具有轻质吸能及高抗冲击性能的粉煤灰空心球/PP复合材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种粉煤灰空心球/PP复合材料，其制备方法包括以下步骤：

1）将粉煤灰空心球于质量浓度为10%的氢氧化钠溶液中浸泡并搅拌4-6h，然后抽滤，用水洗涤至中性；

2）将洗涤后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入无水乙醇中，按硅烷偶联剂与粉煤灰空心球的重量比为1:100~200在其中加入硅烷偶联剂，搅拌4h，过滤，干燥，得到经表面处理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合机，将步骤2）所得经表面处理的粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒在55℃~85℃条件下进行高速混合，混合转速为100-300r/min；所用粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒的体积百分数之比为5-40：93-58：2；

4）将双螺杆挤出机预先加热至150℃，稳定20-30min，然后将步骤3）所得混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中进行挤出造粒，挤出的样品经水槽冷却后，进入切粒机进行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后备用；其过程中，双螺杆挤出机的挤出温度为170~240℃，挤出压力控制在2MPa以下，主机频率为12~22Hz，主喂料机频率为6~12Hz，主机电流控制在25A以下，若主机电流过大或熔体压力较大，可适当调节各段温度；

5）将注塑机预先加热至150℃~170℃，稳定20-30min，然后将步骤4）所得物料加入卧式注塑机中注塑成型，注塑机从进料口至出料口的三段区间温度分别为150~170℃、180~200℃、210~230℃。

所述硅烷偶联剂为KH-550或KH-570。

本发明针对PP聚合物与粉煤灰空心球的表面性质差异较大、相容性差的问题，利用硅烷偶联剂作为表面活性剂对粉煤灰空心球的表面进行处理，并采用PP-g-MAH为增容剂，以改善粉煤灰空心球和聚丙烯（PP）之间的相容性，再结合挤出和注塑工艺，使无机的粉煤灰空心球和有机的PP能很好地结合在一起，从而制备出一种轻质粉煤灰空心球/PP复合材料。

本发明具有以下显著优点：

（1）本发明以粉煤灰空心球填充热塑性聚合物PP制备的粉煤灰空心球/PP复合材料为一低密度非发泡多孔材料，其不仅具有高的比强度、良好的抗冲击性能，还具有高的阻尼性能、降噪吸能和电磁屏蔽等性能，可用于作为抗冲击材料与吸音降噪材料。

（2）本发明以粉煤灰空心球为原料制备新型复合材料，不仅成本低廉、资源丰富，还可大量消耗火电厂煤燃烧后的废料——粉煤灰，有利于实现废物的回收利用，具有良好的环保效益及经济效益。

（3）本发明能有效提高复合材料的强韧性和冲击性能，且其工艺简单易操作，较熔融共混模压成型法的制备温度更低、更节能，适合大规模连续生产。

附图说明

图1为实施例1制备的粉煤灰空心球/PP复合材料拉伸样条。

图2为实施例2制备的粉煤灰空心球/PP复合材料冲击样条。

图3为不同方法制备的含不同体积分数粉煤灰空心球的复合材料拉伸强度对比图。

图4为不同方法制备的含不同体积分数粉煤灰空心球的复合材料冲击强度对比图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

1）将粉煤灰空心球于质量浓度为10%的氢氧化钠溶液中浸泡并搅拌4h，然后抽滤，用水洗涤至中性；

2）将洗涤后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入无水乙醇中，按硅烷偶联剂与粉煤灰空心球的重量比为1:100在其中加入硅烷偶联剂KH-550搅拌4h，过滤，干燥，得到经表面处理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合机，将步骤2）所得经表面处理的粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒在70℃条件下进行高速混合，混合转速为100r/min；所用粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒的体积百分数之比为5：93：2；

4）将双螺杆挤出机预先加热至150℃，稳定20min，然后将步骤3）所得混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中进行挤出造粒，挤出的样品经水槽冷却后，进入切粒机进行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后备用；其过程中，双螺杆挤出机的挤出温度为170℃，挤出压力控制在2MPa以下，主机频率为20Hz，主喂料机频率为8Hz，主机电流控制在25A以下；

5）将注塑机预先加热至150℃，稳定20min，然后将步骤4）所得物料加入预热好的卧式注塑机的料斗中，注塑得到标准的哑铃形拉伸样条，其中，注塑机从进料口至出料口的三段区间温度分别为150℃、180℃、210℃。

所得拉伸样条长175mm，宽4mm，厚2mm（参见图1）。

实施例2

1）将粉煤灰空心球于质量浓度为10%的氢氧化钠溶液中浸泡并搅拌6h，然后抽滤，用水洗涤至中性；

2）将洗涤后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入无水乙醇中，按硅烷偶联剂与粉煤灰空心球的重量比为1:200在其中加入硅烷偶联剂KH-570搅拌4h，过滤，干燥，得到经表面处理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合机，将步骤2）所得经表面处理的粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒在85℃条件下进行高速混合，混合转速为300r/min；所用粉煤灰空心球与PP颗粒、PP-g-MAH颗粒的体积百分数之比为40：58：2；

4）将双螺杆挤出机预先加热至150℃，稳定30min，然后将步骤3）所得混合物倒入双螺杆挤出机的料斗中进行挤出造粒，挤出的样品经水槽冷却后，进入切粒机进行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后备用；其过程中，双螺杆挤出机的挤出温度为240℃，挤出压力控制在2MPa以下，主机频率为22Hz，主喂料机频率为12Hz，主机电流控制在25A以下；

5）将注塑机预先加热至170℃，稳定30min，然后将步骤4）所得物料加入预热好的卧式注塑机的料斗中，注塑得到带缺口的冲击样条，其中，注塑机从进料口至出料口的三段区间温度170℃、200℃、230℃。

所得冲击样条长73mm、宽10mm、厚4mm（参见图2）。

传统方法制备粉煤灰空心球/PP复合材料：将粉煤灰空心球和PP颗粒按照一定比例在高速混料机中混合后，经双辊混炼机开炼造粒，再将颗粒填入模具，在平板硫化机上模压成型。

1. 分别将按传统方法与本发明所述方法制备的含不同体积分数粉煤灰空心球的复合材料进行拉伸强度试验，结果见图3。

如图3所示，传统方法制备的粉煤灰空心球/PP复合材料的拉伸强度随着空心球含量的增加明显下降，从29.5MPa下降至16.7MPa；而利用本发明方法制备的粉煤灰空心球/PP复合材料随着空心球含量的增加，拉伸强度从29.0MPa增加到了31.7MPa，比传统方法制备的相同空心球含量的复合材料的拉伸强度高出了93.75%。

2. 分别将传统方法与本发明所述方法制备的含不同体积分数粉煤灰空心球的复合材料进行冲击强度试验，结果见图4。

如图4所示，传统方法制备的粉煤灰空心球复合材料/PP的冲击强度随着空心球含量的增加明显下降，从6KJ/m²下降至3.2KJ/m²；而利用本发明方法制备的粉煤灰空心球/PP复合材料随着空心球含量的增加，冲击强度下降趋势很平缓，空心球含量增加到30%时，其冲击强度仍保持有5.7KJ/m²，比传统方法制备的相同空心球含量的复合材料的冲击强度高出了78%。

由上述试验证明，在相同粉煤灰空心球含量下，本发明制备的复合材料的性能明显高于传统方法制备的复合材料，并且随着粉煤灰空心球含量的增加，两者之间的差距越大。这说明未经处理的粉煤灰空心球与聚丙烯基体间的相互作用较差，添加硅烷偶联剂和增容剂后，可明显改善粉煤灰空心球与基体的界面作用，应力能够传导至填料，从而增加了复合材料的拉伸和冲击强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。