本發(fā)明屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

通常來(lái)說(shuō)，填料填充的聚合物中，無(wú)機(jī)填料與聚合物基體界面間的相互作用對(duì)材料的機(jī)械性能有很大影響。當(dāng)填料與基體的界面粘接較弱，材料受到拉應(yīng)力時(shí)，界面處首先發(fā)生脫粘，填料起到了應(yīng)力集中作用，誘導(dǎo)基體發(fā)生形變，隨著外載的繼續(xù)增大，形變不斷增大繼而材料發(fā)生斷裂。當(dāng)界面粘接較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)力可以從聚合物通過(guò)界面有效傳導(dǎo)至填料，而填料的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于聚合物，從而改善聚合物的拉伸強(qiáng)度。

以粉煤灰為原料制備的粉煤灰空心球表面比較光滑，屬于無(wú)機(jī)球形材料，其具有良好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和流動(dòng)性等特點(diǎn)，以粉煤灰空心球?yàn)榈诙囝w粒填料，在復(fù)合材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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體材料大多為熱固性樹(shù)脂，其成型方法多采用澆鑄法和模塑法，這是由于在熱塑性塑料的加工成型過(guò)程中使用大型的擠出機(jī)和注塑機(jī)會(huì)擠壓粉煤灰空心球并發(fā)生破碎，這將對(duì)材料的性能產(chǎn)生較大影響。

粉煤灰是電廠煤粉燃燒的副產(chǎn)品，在燃煤副產(chǎn)物中占有絕對(duì)比例且逐年增長(zhǎng)，堆貯排放的粉煤灰侵占了大量土地資源，而且粉煤灰中的微量元素進(jìn)入土壤，對(duì)環(huán)境造成污染，給人們的生產(chǎn)和生活造成了極大的危害。本發(fā)明使用粉煤灰空心球?yàn)樵希ㄟ^(guò)一種簡(jiǎn)單可行的工藝制備出粉煤灰空心球/PP（聚丙烯）復(fù)合材料，其不僅可有效利用粉煤灰資源，具有重要的環(huán)保意義，而且可克服粉煤灰空心球與非極性的聚丙烯基體相容性較差的問(wèn)題，得到一種輕質(zhì)、高抗沖擊的復(fù)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料及其制備方法，其針對(duì)目前無(wú)機(jī)的粉煤灰空心球與非極性的聚丙烯基體相容性較差的問(wèn)題，以硅烷偶聯(lián)劑作為表面活性劑、聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐（PP-g-MAH）為增容劑，制備得到一種具有輕質(zhì)吸能及高抗沖擊性能的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料，其制備方法包括以下步驟：

1）將粉煤灰空心球于質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液中浸泡并攪拌4-6h，然后抽濾，用水洗滌至中性；

2）將洗滌后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入無(wú)水乙醇中，按硅烷偶聯(lián)劑與粉煤灰空心球的重量比為1:100~200在其中加入硅烷偶聯(lián)劑，攪拌4h，過(guò)濾，干燥，得到經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合機(jī)，將步驟2）所得經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒在55℃~85℃條件下進(jìn)行高速混合，混合轉(zhuǎn)速為100-300r/min；所用粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒的體積百分?jǐn)?shù)之比為5-40：93-58：2；

4）將雙螺桿擠出機(jī)預(yù)先加熱至150℃，穩(wěn)定20-30min，然后將步驟3）所得混合物倒入雙螺桿擠出機(jī)的料斗中進(jìn)行擠出造粒，擠出的樣品經(jīng)水槽冷卻后，進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后備用；其過(guò)程中，雙螺桿擠出機(jī)的擠出溫度為170~240℃，擠出壓力控制在2MPa以下，主機(jī)頻率為12~22Hz，主喂料機(jī)頻率為6~12Hz，主機(jī)電流控制在25A以下，若主機(jī)電流過(guò)大或熔體壓力較大，可適當(dāng)調(diào)節(jié)各段溫度；

5）將注塑機(jī)預(yù)先加熱至150℃~170℃，穩(wěn)定20-30min，然后將步驟4）所得物料加入臥式注塑機(jī)中注塑成型，注塑機(jī)從進(jìn)料口至出料口的三段區(qū)間溫度分別為150~170℃、180~200℃、210~230℃。

所述硅烷偶聯(lián)劑為KH-550或KH-570。

本發(fā)明針對(duì)PP聚合物與粉煤灰空心球的表面性質(zhì)差異較大、相容性差的問(wèn)題，利用硅烷偶聯(lián)劑作為表面活性劑對(duì)粉煤灰空心球的表面進(jìn)行處理，并采用PP-g-MAH為增容劑，以改善粉煤灰空心球和聚丙烯（PP）之間的相容性，再結(jié)合擠出和注塑工藝，使無(wú)機(jī)的粉煤灰空心球和有機(jī)的PP能很好地結(jié)合在一起，從而制備出一種輕質(zhì)粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料。

本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明以粉煤灰空心球填充熱塑性聚合物PP制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料為一低密度非發(fā)泡多孔材料，其不僅具有高的比強(qiáng)度、良好的抗沖擊性能，還具有高的阻尼性能、降噪吸能和電磁屏蔽等性能，可用于作為抗沖擊材料與吸音降噪材料。

（2）本發(fā)明以粉煤灰空心球?yàn)樵现苽湫滦蛷?fù)合材料，不僅成本低廉、資源豐富，還可大量消耗火電廠煤燃燒后的廢料——粉煤灰，有利于實(shí)現(xiàn)廢物的回收利用，具有良好的環(huán)保效益及經(jīng)濟(jì)效益。

（3）本發(fā)明能有效提高復(fù)合材料的強(qiáng)韌性和沖擊性能，且其工藝簡(jiǎn)單易操作，較熔融共混模壓成型法的制備溫度更低、更節(jié)能，適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料拉伸樣條。

圖2為實(shí)施例2制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料沖擊樣條。

圖3為不同方法制備的含不同體積分?jǐn)?shù)粉煤灰空心球的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖4為不同方法制備的含不同體積分?jǐn)?shù)粉煤灰空心球的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明所述的內(nèi)容更加便于理解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅限于此。

實(shí)施例1

1）將粉煤灰空心球于質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液中浸泡并攪拌4h，然后抽濾，用水洗滌至中性；

2）將洗滌后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入無(wú)水乙醇中，按硅烷偶聯(lián)劑與粉煤灰空心球的重量比為1:100在其中加入硅烷偶聯(lián)劑KH-550攪拌4h，過(guò)濾，干燥，得到經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合機(jī)，將步驟2）所得經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒在70℃條件下進(jìn)行高速混合，混合轉(zhuǎn)速為100r/min；所用粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒的體積百分?jǐn)?shù)之比為5：93：2；

4）將雙螺桿擠出機(jī)預(yù)先加熱至150℃，穩(wěn)定20min，然后將步驟3）所得混合物倒入雙螺桿擠出機(jī)的料斗中進(jìn)行擠出造粒，擠出的樣品經(jīng)水槽冷卻后，進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后備用；其過(guò)程中，雙螺桿擠出機(jī)的擠出溫度為170℃，擠出壓力控制在2MPa以下，主機(jī)頻率為20Hz，主喂料機(jī)頻率為8Hz，主機(jī)電流控制在25A以下；

5）將注塑機(jī)預(yù)先加熱至150℃，穩(wěn)定20min，然后將步驟4）所得物料加入預(yù)熱好的臥式注塑機(jī)的料斗中，注塑得到標(biāo)準(zhǔn)的啞鈴形拉伸樣條，其中，注塑機(jī)從進(jìn)料口至出料口的三段區(qū)間溫度分別為150℃、180℃、210℃。

所得拉伸樣條長(zhǎng)175mm，寬4mm，厚2mm（參見(jiàn)圖1）。

實(shí)施例2

1）將粉煤灰空心球于質(zhì)量濃度為10%的氫氧化鈉溶液中浸泡并攪拌6h，然后抽濾，用水洗滌至中性；

2）將洗滌后的粉煤灰空心球充分干燥后，倒入無(wú)水乙醇中，按硅烷偶聯(lián)劑與粉煤灰空心球的重量比為1:200在其中加入硅烷偶聯(lián)劑KH-570攪拌4h，過(guò)濾，干燥，得到經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球；

3）采用高速混合機(jī)，將步驟2）所得經(jīng)表面處理的粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒在85℃條件下進(jìn)行高速混合，混合轉(zhuǎn)速為300r/min；所用粉煤灰空心球與PP顆粒、PP-g-MAH顆粒的體積百分?jǐn)?shù)之比為40：58：2；

4）將雙螺桿擠出機(jī)預(yù)先加熱至150℃，穩(wěn)定30min，然后將步驟3）所得混合物倒入雙螺桿擠出機(jī)的料斗中進(jìn)行擠出造粒，擠出的樣品經(jīng)水槽冷卻后，進(jìn)入切粒機(jī)進(jìn)行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后備用；其過(guò)程中，雙螺桿擠出機(jī)的擠出溫度為240℃，擠出壓力控制在2MPa以下，主機(jī)頻率為22Hz，主喂料機(jī)頻率為12Hz，主機(jī)電流控制在25A以下；

5）將注塑機(jī)預(yù)先加熱至170℃，穩(wěn)定30min，然后將步驟4）所得物料加入預(yù)熱好的臥式注塑機(jī)的料斗中，注塑得到帶缺口的沖擊樣條，其中，注塑機(jī)從進(jìn)料口至出料口的三段區(qū)間溫度170℃、200℃、230℃。

所得沖擊樣條長(zhǎng)73mm、寬10mm、厚4mm（參見(jiàn)圖2）。

傳統(tǒng)方法制備粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料：將粉煤灰空心球和PP顆粒按照一定比例在高速混料機(jī)中混合后，經(jīng)雙輥混煉機(jī)開(kāi)煉造粒，再將顆粒填入模具，在平板硫化機(jī)上模壓成型。

1. 分別將按傳統(tǒng)方法與本發(fā)明所述方法制備的含不同體積分?jǐn)?shù)粉煤灰空心球的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

如圖3所示，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著空心球含量的增加明顯下降，從29.5MPa下降至16.7MPa；而利用本發(fā)明方法制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料隨著空心球含量的增加，拉伸強(qiáng)度從29.0MPa增加到了31.7MPa，比傳統(tǒng)方法制備的相同空心球含量的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高出了93.75%。

2. 分別將傳統(tǒng)方法與本發(fā)明所述方法制備的含不同體積分?jǐn)?shù)粉煤灰空心球的復(fù)合材料進(jìn)行沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

如圖4所示，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰空心球復(fù)合材料/PP的沖擊強(qiáng)度隨著空心球含量的增加明顯下降，從6KJ/m²下降至3.2KJ/m²；而利用本發(fā)明方法制備的粉煤灰空心球/PP復(fù)合材料隨著空心球含量的增加，沖擊強(qiáng)度下降趨勢(shì)很平緩，空心球含量增加到30%時(shí)，其沖擊強(qiáng)度仍保持有5.7KJ/m²，比傳統(tǒng)方法制備的相同空心球含量的復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度高出了78%。

由上述試驗(yàn)證明，在相同粉煤灰空心球含量下，本發(fā)明制備的復(fù)合材料的性能明顯高于傳統(tǒng)方法制備的復(fù)合材料，并且隨著粉煤灰空心球含量的增加，兩者之間的差距越大。這說(shuō)明未經(jīng)處理的粉煤灰空心球與聚丙烯基體間的相互作用較差，添加硅烷偶聯(lián)劑和增容劑后，可明顯改善粉煤灰空心球與基體的界面作用，應(yīng)力能夠傳導(dǎo)至填料，從而增加了復(fù)合材料的拉伸和沖擊強(qiáng)度。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。