目前，塑料制品應(yīng)用于我們生活的方方面面，如建材、交通運輸、汽車制造等等。但在塑料制品使用的過程中，制品的韌性和強度往往并不能很好地結(jié)合起來?？梢哉f，塑料增韌增強是高分子材料應(yīng)用要解決的重要問題。
從材料學(xué)角度分析，塑料應(yīng)用中的高比強度、高比模量、高韌性、耐磨損等均與塑料韌性和強度有關(guān)。塑料強度和韌性是結(jié)構(gòu)材料中兩個特別重要但又相互矛盾的力學(xué)性能。
1碳酸鈣增韌塑料的優(yōu)勢
碳酸鈣是塑料行業(yè)中應(yīng)用較多，較為常見的一種無機填料，其原料豐富，工藝成熟，價格實惠，廣泛應(yīng)用于五大塑料制品中。以超細或納米碳酸鈣材料而論，本身具有極高的表面積，在高分子聚合物中可以顯著提高材料的抗沖擊性能(韌性)，對拉伸強度、斷裂伸長也具有提升作用。在與聚合物復(fù)合時，納米顆粒的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)以及協(xié)同效應(yīng)，將使復(fù)合材料的綜合性能有極大的提高。
2碳酸鈣填充改性塑料的方法
2.1溶膠凝膠法
該法是在高化學(xué)活性的硅氧烷金屬化合物等前驅(qū)體體系中進行，前驅(qū)體發(fā)生水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)形成穩(wěn)定且均勻的透明凝膠體系，同時形成CaCO3粒子，且粒子高度分散在凝膠體系中。隨著時間的推移，凝膠體系逐漸失去流動性，再對凝膠進行干燥或燒結(jié)處理，得到納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。該法使CaCO3在有機基體中高度分散，充分發(fā)揮納米材料的性能優(yōu)勢，所制備復(fù)合材料的各項性能優(yōu)良。但該法由于在干燥過程產(chǎn)生收縮應(yīng)力，導(dǎo)致很難獲得大批量產(chǎn)品，無法進行工業(yè)化生產(chǎn)。
2.2原位聚合法
該法是按一定比例將CaCO3均勻混入塑料單體中，在塑料單體發(fā)生聚合反應(yīng)制備高分子塑料時，由于CaCO3粒子與塑料單體發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，使CaCO3能夠有效附著在塑料單體表面，并隨著單體的縮聚過程均勻的分散在塑料基體中。利用該法制備復(fù)合材料，反應(yīng)條件溫和，可在不改變無機納米粒子自身特性的情況下具有優(yōu)異的成型效果。但目前使用技術(shù)還不成熟，未能大范圍使用。
2.3共混法
該法是利用物理共混的方式，用乳液共混、熔融共混和機械共混的形式，將CaCO3粒子混入已經(jīng)縮聚成型的塑料基體中。共混法具有過程簡單可控，設(shè)備簡單，碳酸鈣和塑料基體的制備可分步進行，互不干擾，可批量生產(chǎn)等優(yōu)勢，也是目前塑料改性最為常見的方法之一。不過，共混過程中碳酸鈣如何均勻分散在塑料基體中也是個長久課題。
另外，在共混過程中添加特殊結(jié)構(gòu)的無機礦物，形成材料結(jié)構(gòu)上的良性調(diào)整也有助于韌性增加。例如，碳酸鈣、硅灰石、水鎂石、海泡等礦物都可能產(chǎn)生特殊結(jié)構(gòu)，如球狀、片狀、纖維狀、網(wǎng)狀、層狀、多孔等結(jié)構(gòu)。
3碳酸鈣增韌塑料研究進展
3.1ABS增韌
Jiang等采用熔融共混法，分別制備出了納米CaCO3/ABS復(fù)合材料和微米CaCO3/ABS復(fù)合材料。結(jié)果表明，納米CaCO3在復(fù)合材料中分散更均勻，且前者所表現(xiàn)出來的力學(xué)性能明顯優(yōu)于后者。分析認為，造成這種情況的主要原因是納米CaCO3與ABS的界面面積增大和韌帶的空化剪切屈服協(xié)同影響。
3.2PP增韌
Feng等為改善PP纖維與水泥基體的粘結(jié)性能，采用納米CaCO3對PP纖維進行表面改性。發(fā)現(xiàn)經(jīng)納米CaCO3改性后，PP纖維表面粗糙度增加，形成致密的水化產(chǎn)物，水化程度高。將改性后的PP纖維填充水泥發(fā)現(xiàn)，其復(fù)合材料抗彎性能得到明顯提升。
3.3增韌母料
專利CN102875869A，公開了一種納米碳酸鈣增強增韌塑料母料及其制備方法。該母料是由納米碳酸鈣、微米碳酸鈣、茂金屬聚乙烯、載體樹脂和助劑組成，納米和微米碳酸鈣的共混加入提高了母料增強增韌的作用，茂金屬聚乙烯強度高、韌性好，可同時提高母料的增強增韌效果。
該母料在制備時分兩步完成，使納米碳酸鈣經(jīng)過了兩次同向雙螺桿擠出機，進一步加強了其在母料中的分散性，充分體現(xiàn)了其增強增韌的作用。本發(fā)明的優(yōu)點在于使納米碳酸鈣均勻地分散在載體樹脂中，制成的母料大大體現(xiàn)了納米碳酸鈣特有的增強、增韌性能。
4無機粉體增韌塑料技術(shù)展望
從宏觀角度來看，未來塑料增韌增強主要向材料復(fù)合技術(shù)路線發(fā)展。如通過選用低成本的無機材料，通過納米粉體、一維結(jié)構(gòu)材料(硅灰石、碳酸鈣晶須、短玻璃纖維)、二維結(jié)構(gòu)材料(滑石粉、云母粉、石墨烯)三維結(jié)構(gòu)(硫酸鋇、玻璃微珠等提高材料綜合性能，制備成母料，既可以替換納米增韌母料，也可以替換玻璃纖維增強母料，具有較寬的適應(yīng)性。
例如，武漢理工大學(xué)張凌燕研究了復(fù)合體系的增韌機理，發(fā)現(xiàn)PP復(fù)合材料的強度及韌性的提高并不是云母、硅灰石、碳酸鈣或者LDPE、POE某一單因素所起的作用，而是體系中三者協(xié)同作用的結(jié)果。因此幾種材料之間的協(xié)同作用會成為未來塑料增韌增強技術(shù)的發(fā)展趨勢。
結(jié)語
對碳酸鈣而言，價格是一個優(yōu)勢，能有效確保使用量；形貌可加工性是另一個優(yōu)勢，例如碳酸鈣晶須、球形、多孔、餅狀等；品類豐富，有輕鈣、重鈣、納米鈣等同源多樣化產(chǎn)品，粉體屬性存在多樣話，能與多種礦物復(fù)配，面對普通性質(zhì)的粉體材料和塑料制品，碳酸鈣廣泛的普適性也是一個較大優(yōu)勢。
參考來源
陳慶，等：塑料增韌增強技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢，成都新柯力化工
童佳佳，等：納米CaCO3改性及其在塑料中的應(yīng)用，合肥工業(yè)大學(xué)
張凌燕，等：硅酸鹽礦物增韌增強聚丙烯復(fù)合材料試驗研究，武漢理工大學(xué)