本發(fā)明屬于化工材料技術領域，具體涉及一種粉煤灰空心球/PP復合材料及其制備方法。

背景技術：

通常來說，填料填充的聚合物中，無機填料與聚合物基體界面間的相互作用對材料的機械性能有很大影響。當填料與基體的界面粘接較弱，材料受到拉應力時，界面處首先發(fā)生脫粘，填料起到了應力集中作用，誘導基體發(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。當界面粘接較強時，應力可以從聚合物通過界面有效傳導至填料，而填料的強度遠大于聚合物，從而改善聚合物的拉伸強度。

以粉煤灰為原料制備的粉煤灰空心球表面比較光滑，屬于無機球形材料，其具有良好的力學性能、化學穩(wěn)定性和流動性等特點，以粉煤灰空心球為第二相顆粒填料，在復合材料領域得到了廣泛應用。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程中使用大型的擠出機和注塑機會擠壓粉煤灰空心球并發(fā)生破碎，這將對材料的性能產生較大影響。

粉煤灰是電廠煤粉燃燒的副產品，在燃煤副產物中占有絕對比例且逐年增長，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入土壤，對環(huán)境造成污染，給人們的生產和生活造成了極大的危害。本發(fā)明使用粉煤灰空心球為原料，通過一種簡單可行的工藝制備出粉煤灰空心球/PP（聚丙烯）復合材料，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題，得到一種輕質、高抗沖擊的復合材料。

技術實現要素：

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

為實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種粉煤灰空心球/PP復合材料，其制備方法包括以下步驟：

1）將粉煤灰空心球于質量濃度為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，倒入無水乙醇中，按硅烷偶聯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劑，攪拌4h，過濾，干燥，得到經表面處理的粉煤灰空心球；

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

4）將雙螺桿擠出機預先加熱至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的料斗中進行擠出造粒，擠出的樣品經水槽冷卻后，進入切粒機進行切粒，收集切粒后的物料，充分干燥后備用；其過程中，雙螺桿擠出機的擠出溫度為170~240℃，擠出壓力控制在2MPa以下，主機頻率為12~22Hz，主喂料機頻率為6~12Hz，主機電流控制在25A以下，若主機電流過大或熔體壓力較大，可適當調節(jié)各段溫度；

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

所述硅烷偶聯劑為KH-550或KH-570。

本發(fā)明針對PP聚合物與粉煤灰空心球的表面性質差異較大、相容性差的問題，利用硅烷偶聯劑作為表面活性劑對粉煤灰空心球的表面進行處理，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，再結合擠出和注塑工藝，使無機的粉煤灰空心球和有機的PP能很好地結合在一起，從而制備出一種輕質粉煤灰空心球/PP復合材料。

本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點：

（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)明以粉煤灰空心球為原料制備新型復合材料，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，有利于實現廢物的回收利用，具有良好的環(huán)保效益及經濟效益。

（3）本發(fā)明能有效提高復合材料的強韌性和沖擊性能，且其工藝簡單易操作，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。

附圖說明

圖1為實施例1制備的粉煤灰空心球/PP復合材料拉伸樣條。

圖2為實施例2制備的粉煤灰空心球/PP復合材料沖擊樣條。

圖3為不同方法制備的含不同體積分數粉煤灰空心球的復合材料拉伸強度對比圖。

圖4為不同方法制備的含不同體積分數粉煤灰空心球的復合材料沖擊強度對比圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明所述的內容更加便于理解，下面結合具體實施方式對本發(fā)明所述的技術方案做進一步的說明，但是本發(fā)明不僅限于此。

實施例1

1）將粉煤灰空心球于質量濃度為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，倒入無水乙醇中，按硅烷偶聯劑與粉煤灰空心球的重量比為1:100在其中加入硅烷偶聯劑KH-550攪拌4h，過濾，干燥，得到經表面處理的粉煤灰空心球；

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

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

5）將注塑機預先加熱至150℃，穩(wěn)定20min，然后將步驟4）所得物料加入預熱好的臥式注塑機的料斗中，注塑得到標準的啞鈴形拉伸樣條，其中，注塑機從進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175mm，寬4mm，厚2mm（參見圖1）。

實施例2

1）將粉煤灰空心球于質量濃度為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，倒入無水乙醇中，按硅烷偶聯劑與粉煤灰空心球的重量比為1:200在其中加入硅烷偶聯劑KH-570攪拌4h，過濾，干燥，得到經表面處理的粉煤灰空心球；

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

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

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

所得沖擊樣條長73mm、寬10mm、厚4mm（參見圖2）。

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

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數粉煤灰空心球的復合材料進行拉伸強度試驗，結果見圖3。

如圖3所示，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰空心球/PP復合材料的拉伸強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復合材料隨著空心球含量的增加，拉伸強度從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合材料的拉伸強度高出了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數粉煤灰空心球的復合材料進行沖擊強度試驗，結果見圖4。

如圖4所示，傳統(tǒng)方法制備的粉煤灰空心球復合材料/PP的沖擊強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復合材料隨著空心球含量的增加，沖擊強度下降趨勢很平緩，空心球含量增加到30%時，其沖擊強度仍保持有5.7KJ/m²，比傳統(tǒng)方法制備的相同空心球含量的復合材料的沖擊強度高出了78%。

由上述試驗證明，在相同粉煤灰空心球含量下，本發(fā)明制備的復合材料的性能明顯高于傳統(tǒng)方法制備的復合材料，并且隨著粉煤灰空心球含量的增加，兩者之間的差距越大。這說明未經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，應力能夠傳導至填料，從而增加了復合材料的拉伸和沖擊強度。

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