盧尚琨 潘靜懿 黃河，李祥飛，徐衛(wèi)兵

(1)合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230009. (2)安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司含山恒泰非金屬材料分公司，安徽 巢湖 238171)

煅燒硬石膏/PVC復(fù)合材料力學(xué)和流變性能研究

盧尚琨1,2潘靜懿1,2黃河2，李祥飛2，徐衛(wèi)兵1

(1)合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，安徽 合肥 230009. (2)安徽省皖北煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司含山恒泰非金屬材料分公司，安徽 巢湖 238171)

通過煅燒硬石膏后超微粉碎，以熔融共混法制備了煅燒硬石膏/PVC復(fù)合材料，并測(cè)定其粒度、力學(xué)性能和流變性能。結(jié)果表明：煅燒到一定溫度后硬石膏晶粒度非常集中。包覆改性能使超細(xì)煅燒硬石膏與復(fù)合材料有更好的相容性，使塑化時(shí)間、平衡扭矩和塑化段能耗降低明顯，而用硅烷偶聯(lián)劑包覆改性的復(fù)合材料力學(xué)和流變性能最好。

煅燒硬石膏；粒徑； PVC；流變性能

硬石膏作為石膏的一種，是Ⅱ型無水石膏，主要化學(xué)成分是CaSO4，有時(shí)摻雜有少量二水石膏、碳酸鹽或粘土等雜質(zhì)。我國硬石膏資源占石膏總儲(chǔ)量的70%，其儲(chǔ)量已居世界第一位。純凈的硬石膏透明、無色或白色，含雜質(zhì)而成暗灰色。硬石膏結(jié)晶良好，比二水石膏致密而堅(jiān)硬，硬度為3.0-3.5，比重2.9-3.1g/cm3。硬石膏目前其主要用途是作為水泥的增強(qiáng)劑、調(diào)凝劑、早強(qiáng)劑、膨脹劑、抗?jié)B和增密劑，而關(guān)于煅燒硬石膏應(yīng)用于高分子材料領(lǐng)域的研究在國內(nèi)尚是個(gè)空白。筆者發(fā)現(xiàn)，煅燒硬石膏是一種性能很好的填料。本文研究用煅燒的方法改變了硬石膏粉體的顆粒形態(tài)分布，并試用不同改性劑對(duì)煅燒硬石膏超細(xì)粉進(jìn)行表面多層包覆改性，性能優(yōu)良。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

PVC，SLK-1000,天津大沽化工股份有限公司；硬石膏,1250目；硅烷偶聯(lián)劑，鋁酸酯偶聯(lián)劑，鈦酸酯偶聯(lián)劑，ACR，CPE，復(fù)合鉛鹽穩(wěn)定劑等，工業(yè)級(jí)，市售。

1.2 主要設(shè)備

激光粒度儀，Mastersizer2000，英國馬爾文儀器有限公司；10L高速混合器，SHR-10C，江蘇張家港市貝爾機(jī)械有限公司；轉(zhuǎn)矩流變儀，XSS-300，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司；超微粉碎機(jī)，LNJ-6A，綿陽流能粉體設(shè)備有限公司；馬弗爐，SGL-1400，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所；平板硫化機(jī)，XLB-D400X00XZ,上海橡膠機(jī)械廠；沖擊試驗(yàn)機(jī)，ZBC-1400-1, 深圳新三思材料有限公司；萬能試驗(yàn)機(jī)，CMT4104, 深圳新三思材料有限公司；

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

把粗破碎到60-70目的硬石膏放入馬弗爐中煅燒1.5h，冷卻后加入超細(xì)粉碎機(jī)通過高壓氣體對(duì)撞粉碎，經(jīng)旋風(fēng)分離器固定用26HZ的頻率進(jìn)行粉體分級(jí)，磨出的粉體在高速混合器中(溫度105℃)進(jìn)行多層包覆改性。在平板硫化機(jī)上（溫度182℃）將PVC復(fù)合材料壓制成板材。

1.4 性能測(cè)試

沖擊強(qiáng)度按照ISO-179標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；拉伸強(qiáng)度按照GB/T1040-1992標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；流變性能在XSS-300型轉(zhuǎn)矩流變儀上進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 煅燒硬石膏粒度分析

采用激光粒度儀Mastersizer2000對(duì)煅燒硬石膏的粒徑進(jìn)行了分析。試樣先制成溶劑并用粒度儀超聲波振蕩器分散2min, 經(jīng)激光粒度儀進(jìn)行晶粒度分析測(cè)算, 結(jié)果如表1所示, 相應(yīng)的粒徑分布曲線如圖1所示。

由表1和圖1可以看出,天然硬石膏粉體粒經(jīng)頻率分布不大均勻, 晶粒大小懸殊較大。硬石膏煅燒到400℃時(shí)變化也不大。煅燒到700℃后硬石膏其粒經(jīng)頻率分布相對(duì)最為集中，且粒度最小。這是因?yàn)殡S著溫度的增高，硬石膏晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，平行于Ca2+—SO42-—Ca2+鏈的通道完全失水，使硬石膏變硬變脆。硬石膏煅燒到1000℃時(shí)有輕微燒結(jié)現(xiàn)象，故粒徑頻率分布增大。

表1：煅燒硬石膏的粒徑

2.2 煅燒硬石膏／PVC復(fù)合材料力學(xué)性能和流變特征研究

圖2所示，分別為PVC/煅燒硬石膏復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度性能。從圖2可以看出，相比純PVC配方，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都稍有所增加，隨著煅燒硬石膏填充量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度都迅速下降。同時(shí)還可以看出，相同填充量下，采用改性劑改性煅燒硬石膏比未改性的力學(xué)性能均有所增加。相比較而言，硅烷偶聯(lián)劑的使用效果要優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑。在填充份數(shù)為30PHR時(shí)，純PVC配方的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度為36.92MPa、35.12KJ/m2，而硅烷偶聯(lián)劑改性填充30PHR時(shí)，這兩項(xiàng)值為42.53MPa、36.78KJ/m2，分別提高了15.20%、4.33%。

隨著填份數(shù)的增加，復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能持續(xù)下降。當(dāng)填充份數(shù)達(dá)到70PHR時(shí)，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度幾乎比峰值下降一半。是因?yàn)樵诘吞畛淞繒r(shí)，粉體顆粒分散性較好，可以和基體緊密結(jié)合，當(dāng)受外力時(shí)，硬石膏粒子起到增強(qiáng)增韌作用。高填充時(shí)，粒子分散困難且易團(tuán)聚，基體也很難完全包覆住硬石膏粒子，從而造成兩個(gè)粒子之間只存在引力而沒有范德華力，故復(fù)合材料力學(xué)性能下降明顯。

2.3 煅燒硬石膏／PVC復(fù)合材料流變性能研究

圖3所示為不同超細(xì)硬石膏含量下，PVC/超細(xì)硬石膏復(fù)合材料扭矩流變圖。

從圖3和圖4中可以看出，復(fù)合材料扭矩變化經(jīng)歷了加料峰－扭矩最小值－扭矩最大值－扭矩平衡等系列過程。當(dāng)復(fù)合材料加入料倉以后，有一個(gè)人快速工加壓過程，由于轉(zhuǎn)子的阻擋，扭矩出現(xiàn)一個(gè)最大值，即加料峰；此時(shí)才加入復(fù)合材料還是粉料，流動(dòng)性較好，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，復(fù)合材料瀉入兩個(gè)轉(zhuǎn)子中間和四周，使料倉內(nèi)壓力大減，出現(xiàn)了一個(gè)扭矩最小值；隨著復(fù)合材料溫度升高，轉(zhuǎn)子的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使復(fù)合材料熔融塑化，塑化的復(fù)合材料粘度增大，使得扭矩值也隨之增大，當(dāng)復(fù)合材料全部熔融塑化后，出現(xiàn)了一個(gè)扭矩最大值；當(dāng)扭矩值上升時(shí)，使轉(zhuǎn)子摩擦力增大，摩擦產(chǎn)生的熱量使復(fù)合材料的溫度超過了原先的設(shè)定值，當(dāng)溫度持續(xù)上升時(shí)，塑化后復(fù)合材料的粘度也隨之降低，扭矩也隨之降低，最終達(dá)到平衡。

從圖3中可以看出，在低填充量時(shí)，填料顆粒在體系中分散相對(duì)容易，對(duì)體系的塑化過程影響不大；而當(dāng)填充量較高時(shí)，復(fù)合材料很難完全包覆住顆粒顆粒在體系中也不易分散，使復(fù)合材料的加工流動(dòng)性變差，復(fù)合材料體系的扭矩隨之增大。這是因?yàn)閺?fù)合材料中顆粒之間和機(jī)體之間相互摩擦力增大，對(duì)轉(zhuǎn)子的阻抗力增加，扭矩值上升。當(dāng)硬石膏含量為15%時(shí)，相比沒有無機(jī)物填充的純PVC配方，各階段的扭矩值和塑化時(shí)間都很相近；而當(dāng)硬石膏含量增加到70%時(shí)，平衡扭矩好塑化段能耗分別從純PVC配方的20.6N.m 和2681.9N.m增加到32.7N.m和3505.6N.m，塑化時(shí)間從純PVC配方的103.0s遞增到188.0s。

圖4為不同改性劑種類（用量均為1.0%），相同煅燒硬石膏填充量（填充份數(shù)為70PHR），PVC/煅燒硬石膏復(fù)合材料扭矩流變圖。

從圖4中可以看出，改性劑的使用能使超細(xì)煅燒硬石膏和PVC復(fù)合材料有更好的相容性，很大程度上降低復(fù)合材料加工過程中摩擦，使加工流動(dòng)性變好。填充改性的煅燒硬石膏與未改性的比較，復(fù)合材料塑化過程中各階段扭矩值和塑化時(shí)間都低于填充未改性煅燒硬石膏的復(fù)合材料。同時(shí)可看出，不同改性劑對(duì)于塑化熔融過程的促進(jìn)效果，硅烷偶聯(lián)劑優(yōu)于鋁酸酯偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑。

經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑改性填充的PVC/超細(xì)煅燒硬石膏復(fù)合材料的塑化時(shí)間從未改性234.6 s 減少到127.28s，降低了45.74%。平衡扭矩和塑化段能耗也分別從35.6N.m 和4443.2N.m降低致27.8 N.m和2576.7N.m，分別降低了21.9%和42.0%。

結(jié)論

（1）煅燒后的硬石膏比沒有煅燒的粒度更小更集中。煅燒溫度在700℃時(shí)，D90最小，粒徑頻率分布也最集中。

（2）改性煅燒硬石膏/PVC復(fù)合材料的力學(xué)性能比未改性煅燒硬石膏/PVC復(fù)合材料高。填充份數(shù)為30PHR時(shí)，使用硅烷偶聯(lián)劑包覆改性的復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了15.20%、4.33%。

（3）隨著填充量的增大，煅燒硬石膏/PVC復(fù)合材料的塑化時(shí)間、平衡扭矩和塑化段能耗也隨之增大。包覆改性能使超細(xì)煅燒硬石膏與復(fù)合材料有更好的相容性，使塑化時(shí)間、平衡扭矩和塑化段能耗降低明顯，其中用硅烷偶聯(lián)劑包覆改性的效果最優(yōu)，塑化時(shí)間、平衡扭矩和塑化段能耗分別比使用未改性硬石膏填充的復(fù)合材料降低了45.74%、21.9%和42.0%。

[1]鄭水林. 非金屬礦物粉體表面改性技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國非金屬礦業(yè)導(dǎo)刊，2010，(1):3-10

[2]楊新亞，楊淑珍，陳文怡. 煅燒硬石膏的溶解活性與結(jié)構(gòu)研究[J]. 武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2004,22(2)：21-25

[3]王少會(huì). 天然硬石膏超微粉體表面多層包覆改性影響因素正交分析[J]. 非金屬礦，2009,(6):8-13

[4]李玉寶，宣超. 轉(zhuǎn)矩流變儀系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備在PVC加工中的應(yīng)用[J]. 聚氯乙稀，2004，(5)：21-24

[5]Pukanszky B, Turczanyi B, Tudos F.Composites dependence of tensile yield stress in filled polymers [J]. Journal of Material Science letter.2001,(7):160-162.

[6]黃世強(qiáng)，卿勝波，朱杰，等. 反應(yīng)加工體系PVC/PHMS的轉(zhuǎn)矩流變性能研究[J]. 應(yīng)用化學(xué)，2002，(8)：772-775

The Properties Of Mechanics And Rheological Property Of PVC Filled By Calcined Anhydrite

Lu Shangkun1，2，Pan Jingyi1,2, Huanghe2, Li Xiangfei2, Xu Weibing1
(1, School of Chemical Engineering, Heifei University of Technology, Heifei 230009, China.
（2）Anhui Province Wanbei Coal-ElectricityGroup Limited Liability Company Hanshan Hengtai Nonmetallic Material Technology Branch.,Chaohu 2388171, China)

The anhydrite was prepared after calcined and smashed, and it’s composite materials of anhydrite / PVC was prepared by melt blending, then particle size, mechanice and rheological properties were determined. The results showed that:the grain size of calcined anhydrite concentration.Calcined anhydrite coated make composite materials better compatibility. At same time, the plasticizing time, balanced torque and energy consumption plastics segment signifi cantly reduce, which coated with aluminum coupling agent has optimal effect.

Calcined anhydrite；Grain size；PVC；Rheological character