【導(dǎo)讀】Effectsofmineral?J.Lou?,V.Harinath. mineral-?materials.Keywords:Mineral?llers;Polymerprocessing;Meltviscosity. llers. energyef?signi?llerswhosein?ooringmaterials,sealing. processingdif?Theprocessingdif?mineral-?some?cientsathigher

　　

【正文】 大的技術(shù)挑戰(zhàn)。幾種礦物填充聚苯乙烯樣品制備及其形態(tài)和熔融加工性能進(jìn)行了研究方面的條件和礦產(chǎn)加工負(fù)荷。結(jié)果應(yīng)提供在工業(yè)中與本類重要材料的回收處理類似的所需解決復(fù)雜問題的見解。 關(guān)鍵詞： 礦物填料；聚合物加工；熔體粘度 簡介 聚合物的復(fù)合及在其中夾雜顆粒填料是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。這些材料的處理主要依賴于顆粒和顆粒和顆粒與聚合物間的相互作用。近年來大量的研究已對(duì)高聚合填充物材料的流變行為有了基本的了解。當(dāng)?shù)V物填料廣泛用于熱塑性塑料的方法來生產(chǎn)高效益、堅(jiān)固、節(jié)能的材料時(shí)，廢物管理的許多問題的根源，是 這些材料進(jìn)入廢物流后的最終用途。該聚合物不容易被環(huán)境中或廢物管理系統(tǒng)中成為生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)一部分堆肥的自然元素所破壞。這導(dǎo)致了這些物質(zhì)在環(huán)境中的不可逆的變化，造成了自然的破壞、海灘的污染，并嚴(yán)重威脅到海洋生物。由于這些塑料大多不能被生物降解、回收和再處理，這使它們成為廢物管理的最佳選擇。這些熱塑性材料不僅包括聚合物熱塑性樹脂，還包括對(duì)礦物填料的加工和復(fù)合材料的回收的了解。與礦物最大容量負(fù)荷接近的復(fù)合材料被用于許多的行業(yè)。它們包括建筑材料，如地板材料，密封材料，陶瓷和彈性體。礦物填料的存在增加了復(fù)合材料熔解粘度， 顯著改變了其彈性性能，并且往往造成物質(zhì)表現(xiàn)出在共同加工條件下的滑移。 在礦物填充塑料的熔體粘度和壓力減小的條件下其加工是很復(fù)雜的。填充物對(duì)熱塑性材料加工的影響遠(yuǎn)不只這些。理論上，在非常低的礦產(chǎn)負(fù)荷時(shí)，物質(zhì)粒子的行為像懸浮液。稀懸浮粘度 η，可在粒子的體積分?jǐn)?shù) φ的冪級(jí)數(shù)發(fā)展。在維里型擴(kuò)張中通常用來說明聚合物的熔體粘度，以便填料效應(yīng)會(huì)因維里系數(shù)計(jì)算困難而中斷 ηs = η/η0= 1 + [η]φ + kHφ2+ ⑴ 其中 ηs 是相對(duì)粘度， η是懸浮液 粘度， η0是分散介質(zhì)的粘度。這些維里系數(shù)的量度分別被稱為固有粘度 [η]（ 當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為 φ時(shí)使用）和相互作用系數(shù) 體積分?jǐn)?shù)無窮小（ φ→0 ）， φ長期線性主導(dǎo)而使這些填料的 η改變而與 成正比。由于 φ的增加，高階計(jì)算變得很重要。在實(shí)踐中維里膨脹的作用十分有限，因?yàn)闆]有既定的方法來預(yù)測高階項(xiàng)的系數(shù)。亞微米級(jí)填料通常是相互作用力強(qiáng)的粒子。然而，它們之間的作用力應(yīng)通過其表面化學(xué)性質(zhì)來定義。當(dāng)聚合物與填料的相互作用強(qiáng)時(shí)，聚合物的吸附層可能會(huì)在填料表面形成。在這種情況下，當(dāng)同一體積分?jǐn)?shù)作用與不同粒子時(shí)，會(huì)使復(fù)合材料 間相互作用壓力增大，作用增強(qiáng)。這就是為什么對(duì)高分子復(fù)合材料如納米復(fù)合材料中加入小規(guī)模的礦物顆粒有極大興趣。雖然最大體積濃度的產(chǎn)生原因仍然是有爭議的，這一特性還是可以通過試驗(yàn)中體積濃度的不連續(xù)過渡看出。對(duì)不同濃度聚合物礦物性能可按照體積分?jǐn)?shù)來分類，如稀釋、半稀釋、集中、高度集中。 圖 1：粘度是聚苯乙烯在 190℃ 時(shí)在不同填料下體積分?jǐn)?shù)的剪切速率 圖 2：聚苯乙烯在 190℃ 和 202190℃ 時(shí)的熔體粘度 圖 3： Bagley 情況下相同剪切速率時(shí)的 L/D 比（ 587， 1328， 3000S1） 圖 4：剪 切速率分別為 587 S1， 1328 S1和 3000 S1下的壓力損失 在懸浮液中，填料顆粒間有一定的距離。其相互間的作用力可忽略不計(jì)。在這種情況下，只產(chǎn)生動(dòng)力。在小顆粒低粘度的情況下，這些力主要由隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)提供。復(fù)合材料的性能取決于體積濃度、形狀及相鄰粒子間的改性應(yīng)力場。 實(shí)驗(yàn) 無定形聚苯乙烯 Styron 615 樣品是被 Dow Chemical(米德蘭、美國 )捐贈(zèng)的。樣品先稱重再轉(zhuǎn)移到燒杯中，在其中加入四氫呋喃（ THF）并不斷攪拌直至聚合物完全溶解。然后將標(biāo)準(zhǔn)尺寸為一微 米 的碳酸鈣顆粒添加到聚苯 乙烯當(dāng)中，使其完全混合均勻，直到得到一定數(shù)量的礦物顆粒。最后轉(zhuǎn)移到一個(gè)干凈并且干燥的玻璃板上并制成薄片。該復(fù)合板則留在 100℃ 的烤箱中一晚。然后將該樣品取出并切成小塊儲(chǔ)存。再按照同樣的方法制備體積分?jǐn)?shù)為 10%到 30%及高達(dá) 70%的樣品。 礦物填充物樣品受到熔體擠壓試驗(yàn)中的毛細(xì)管吸引力的影響，此試驗(yàn)是在190℃ 小熔化 300s，并且允許空氣和水分進(jìn)入。實(shí)驗(yàn)過程中使用了 Dynisco 儀器模 型 7001 LCR 毛細(xì)管流變儀。該儀器的直徑為 1mm，其中直徑比例可以從 1到 32 不等。其進(jìn)入角為 180176。這些實(shí)驗(yàn)是用來確定聚 合物復(fù)合材料加工及回收性能的。 果和討論 礦物填料是熔體在加工過程中的能源消耗費(fèi)增加，從而使復(fù)合材料的回收更加困難。能源消耗與熔體流動(dòng) Δp有 關(guān)，包括最后的壓力損失 Δpend和 擠壓力下降而導(dǎo)致的壓力損失 Δpdie Δp = Δpend + Δpdie ⑵ 這種關(guān)系確定的壁剪應(yīng)力和總壓降低的關(guān)系可表示為 τw = (Δp ? Δpend)D/4L ⑶ 其中 τw是 壁剪應(yīng)力， D 是直徑， L是儀器長度， Δpend是 用巴格來法表示的最終壓力損失。 剪切速率依據(jù)柱塞速度來計(jì)算： ?? = 4R2bSp/R3c ⑷ 其中 Rb 是給料筒的半徑， Rc金屬的半徑， Sp是柱塞的速度。表觀剪切粘度 ηa被定義為 ηa = τw/ ?? a ⑸ 圖 1 表明礦物填充聚苯乙烯粘度隨礦物填充材料體積分?jǐn)?shù)而增加。如預(yù)期所料，當(dāng)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，隨著溫度的增加，剪切粘度降低。這是圖 2 所示。在長期高溫條件下，可能會(huì)增加一些聚合物分子通過凝膠成型或交聯(lián)，從而使粘度上升。 圖 3 是曲型的巴格利試驗(yàn)，用來計(jì)算最終壓力損失。最終的壓力損失是聚合物熔體彈性性質(zhì)，通過不斷流動(dòng)而變化。最終壓力損失顯示在剪切速率上。如圖 4所示。最終壓力損失的增加速率比剪切率高。 圖 5：測定礦物填充聚苯乙 烯滲流 圖 6： 190℃ 下電子顯微鏡在鯊皮布上剪切速率為 1800s1:(1)0%礦物質(zhì) (2)20%(體積 )礦物質(zhì) 圖 7：電子顯微鏡截面擠壓： (1)0%礦物質(zhì) (2)20%礦物質(zhì) 對(duì)滲流模型分散粘度高濃度進(jìn)行了研究。典型結(jié)果顯示在圖 5 中。在低濃度時(shí)，粘度的增加而體積分?jǐn)?shù) φ不高，可影響填料間相互作用。但是，體積分?jǐn)?shù)的迅速增加顯示在體積分?jǐn)?shù)約為 27%時(shí)填料與剪切率間的關(guān)系。 熔融的聚合物毛細(xì)管流量已收到，因?yàn)樵诟吡魉俚木酆衔镌谌廴谶M(jìn)程中是普遍不穩(wěn)定的，這被稱為鯊皮布或熔化裂痕。這是在聚合物加工中 不能完全理解的問題之一。從我們的研究中可發(fā)現(xiàn)礦物質(zhì)的減少對(duì)材料表面粗糙度有影響。如彈性膨脹行為減少了礦物負(fù)荷的增加。圖 6 表示了當(dāng)?shù)V物體積分?jǐn)?shù)增加時(shí)鯊皮布減少的情況。圖 7 顯示了聚苯乙烯樣品的礦物填料橫截面視圖。這是明顯的填充物和聚合物內(nèi)的分散。 結(jié)論 礦物填充塑料和復(fù)合材料的回收問題是很復(fù)雜的。由于礦物顆粒負(fù)荷增加，加工粘度、壓力損失、處理難度和礦物能源消耗費(fèi)都增加。但減少了鯊皮布和模膨脹的問題。熔體的處理是填料間相互作用及加工粘度的具體表象，其中加工粘度可用于檢測聚合物內(nèi)的填充物滲漏的發(fā)生。本文 表明，滲流現(xiàn)象可確定使用流變測量。