Применение связующих агентов в пластиковых изделиях

Связующий агент представляет собой "bridge", соединяющий неорганические наполнители (такие как карбонат кальция и стекловолокно) и органические смолы в пластиковых изделиях. Реагируя с различными функциональными группами на обоих концах молекулы с гидроксильными группами на поверхности молекулярных цепей наполнителя и смолы, улучшается совместимость между ними и решается проблема снижения механических свойств пластиков, вызванная неравномерным распределением наполнителей и слабой межфазной связью. Он подходит практически для всех типов пластиков, таких как ПЭ, ПП, ПВХ, ПЭТ, ПА и т. д., и широко используется для наполнения, модификации и улучшения производства модифицированных пластиков. Он может увеличить прочность пластиков на растяжение на 10% -30% и ударную вязкость на 20% -50%. В настоящее время он развивается в направлении многофункциональности и низкой токсичности и является основной добавкой для пластиков, обеспечивая высокие эксплуатационные характеристики и низкую стоимость.

1. Основной механизм действия связующих агентов: создание неорганических органических мостиков

При модификации пластиков неорганические наполнители (такие как карбонат кальция и тальк) имеют значительную разницу в полярности с органическими смолами, склонны к агломерации и обладают слабой межфазной связью. Связующие агенты решают эту проблему посредством двунаправленного взаимодействия, и конкретный механизм взаимодействия можно разделить на три категории:

1. Тип химической связи (силановый связующий агент): образует устойчивые химические соединения

Наиболее часто используемыми типами являются молекулы силановых связующих агентов, содержащие силоксановые группы (реагирующие с неорганическими наполнителями) и органические функциональные группы (реагирующие со смолами):

Путь действия: Силоксаны гидролизуются с образованием силанольных групп, которые затем дегидратируются и конденсируются с гидроксильными группами на поверхности наполнителей, образуя ковалентные связи Си-O-наполнитель; Другой конец органической функциональной группы (такой как амино- и эпоксидные группы) вступает в химическую реакцию с молекулярной цепью смолы, образуя устойчивый интерфейс "наполнитель-связующий агент-смола";

Представительная продукция: КХ-550 (аминосилан), КХ-560 (эпоксидсилан);

Сценарий адаптации: армированный стекловолокном полиамид и полипропилен, наполненный тальком, значительно улучшают прочность межфазных связей.

2. Координационный тип связи (титановый эфирный связующий агент): улучшает диспергируемость наполнителей

Титанатные связующие агенты координируются с гидроксильными группами на поверхности наполнителей посредством связей титана и кислорода, в то время как длинноцепочечные алкильные группы совместимы со смолами, что способствует улучшению дисперсии наполнителя:

Путь действия: Неорганический конец молекулы титаната образует координационную связь с гидроксильной группой на поверхности наполнителя, а длинноцепочечная алкильная группа на органическом конце встраивается в цепь молекулы смолы, уменьшая агрегацию наполнителя и улучшая однородность дисперсии;

Представительные продукты: ТМС-101 (моноалкокси-типа), ТМС-201 (хелатирующего типа);

Сценарий адаптации: ПЭ и ПВХ, наполненные карбонатом кальция, для снижения вязкости расплава и улучшения текучести при переработке пластика.

3. Физический тип адсорбции (алюминатный связующий агент): недорогая модификация поверхности

Связующие агенты на основе эфира алюминия прилипают к поверхности наполнителей посредством физической адсорбции, имеют меньшую стоимость, чем силановые и титанатные эфиры, и подходят для сценариев с низкими требованиями к производительности:

Путь действия: кислородсодержащие группы алюминия в молекуле физически адсорбируются с гидроксильными группами на поверхности наполнителя, а органические группы улучшают совместимость наполнителя со смолой;

Представительный продукт: ДЛ-411-A (моноалкокситип);

Сценарий адаптации: Легкие полипропиленовые тканые мешки и полиэтиленовые трубы с наполнителем из карбоната кальция, снижающие производственные затраты и немного улучшающие механические свойства.

2. Основные типы связующих веществ и совместимые пластмассы: характеристики и соответствие условиям эксплуатации

Различные связующие агенты существенно различаются по реакционной активности, совместимости и стоимости, и их следует выбирать в зависимости от типа наполнителя, разновидности пластика и цели модификации:

1. Силановый связующий агент: предпочтителен для улучшения модификации, подходит для полярных смол.

Силановые связующие агенты обладают высокой прочностью химической связи, особенно подходят для гидроксильных наполнителей, таких как стекловолокно и диоксид кремния, и совместимы с полярными смолами.

Основные преимущества: Улучшают прочность соединения на границе раздела, значительно повышают прочность пластмасс на растяжение и изгиб;

Совместимые пластики: ПА, ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ, ПК (полярная смола);

Типичные области применения: автомобильные компоненты из армированного стекловолокном полиамида (например, опоры двигателя), бутылки из ПЭТ с кремниевым наполнителем для напитков (для повышения жесткости).

2. Титанатный связующий агент: основная сила модификации наполнителя, подходит для неполярных смол.

Связующие агенты на основе эфира титана обладают хорошей диспергируемостью и подходят для несиликоносодержащих наполнителей, таких как карбонат кальция и тальк, а также неполярных смол.

Основные преимущества: снижение агломерации наполнителя, улучшение текучести пластмасс при переработке и повышение ударной вязкости;

Совместимые пластики: ПЭ, ПП, ПВХ (неполярная/слабополярная смола);

Типичные области применения: полиэтиленовая пленка с наполнителем из карбоната кальция (повышает прочность), корпус бытовой техники из полипропилена с наполнителем из талька (снижает скорость усадки).

3. Алюминатный связующий агент: недорогой выбор, подходит для продуктов среднего и низкого ценового диапазона.

Связующие агенты на основе эфира алюминия имеют низкую цену и просты в использовании, подходят для наполненных пластиков среднего и низкого класса с невысокими требованиями к эксплуатационным характеристикам:

Основные преимущества: Упрощенный процесс модификации, отсутствие необходимости высокотемпературного гидролиза, прямое смешивание с наполнителями;

Совместимые пластики: ПП, ПЭ, ПВХ;

Типичные области применения: полипропиленовые тканые мешки, наполненные карбонатом кальция (снижение затрат), ПВХ-трубы, наполненные тальком (повышение размерной стабильности).

4. Другие типы связующих агентов: адаптация к особым сценариям

Тип прививки малеиновым ангидридом: за счет реакции прививочных групп со смолой он подходит для модификации армирования ПП и ПЭ, например, при использовании ПП с привитым малеиновым ангидридом для получения ПП, армированного стекловолокном;

Связующее вещество на основе фосфора: обладает как связующими, так и антипиреновыми свойствами и подходит для огнезащитной модификации полиамидов и поликарбонатов. Например, связующее вещество на основе фосфора используется для заполнения внешней оболочки электронных компонентов полиамидов красным фосфором.

3. Практика применения связующих агентов в ключевых пластиковых изделиях: разработка формул на основе сценариев

Применение связующих агентов требует разработки индивидуальных формул, основанных на типе пластика и типе наполнителя. Ниже приведены типичные случаи:

1. Улучшение модифицированных пластиков: улучшение механических свойств

Улучшенная модификация со стекловолокном и углеродным волокном в качестве наполнителей, основная цель которой — повышение прочности пластика, обычно с использованием силановых связующих агентов:

Автомобильный кронштейн из армированного стекловолокном полиамида:

Формула: смола ПА + 30% стекловолокна + 1,2% силановый связующий агент КХ-550 + 0,3% антиоксидант 1010;

Эффект: прочность на растяжение увеличилась с 60 МПа до 120 МПа, а прочность на изгиб увеличилась с 80 МПа до 180 МПа, что соответствует требованиям к напряжению автомобильных компонентов.

Корпус ноутбука из углеродного волокна:

Формула: смола ПК + 15% углеродного волокна + 0,8% силанового связующего агента КХ-560 + 0,2% светостабилизатора УФ-327;

Эффект: Ударная вязкость увеличена с 60 кДж/м² до 90 кДж/м², а вес снижен на 20%, сбалансированная прочность и малый вес.

2. Заполнение модифицированными пластиками: снижение затрат и повышение производительности

Модификация наполнителя использует карбонат кальция и тальк в качестве наполнителей, что позволяет снизить затраты и избежать значительного ухудшения эксплуатационных характеристик. В качестве связующих агентов обычно используются эфиры титана и алюминия.

Сельскохозяйственная полиэтиленовая пленка с наполнителем из карбоната кальция:

Формула: полиэтиленовая смола + 20% карбонат кальция + 1,0% связующий агент титанат ТМС-101 + 0,2% антиоксидант 1076;

Эффект: прочность пленки на разрыв сохраняется более 90%, светопропускание — более 85%, стоимость снижается на 15%, не влияет на светопотребность сельскохозяйственных культур.

Корпус бытовой техники из полипропилена, наполненного тальком:

Формула: полипропиленовая смола + 25% тальковый порошок + 0,8% алюминатный связующий агент ДЛ-411-A + 0,3% антиоксидант 168;

Эффект: Коэффициент усадки оболочки снижен с 1,5% до 0,8%, улучшена размерная стабильность, а термостойкость увеличена со 100 ℃ до 120 ℃, что соответствует требованиям среды использования бытовой техники.

3. Специальные модифицированные пластики: многофункциональная синергия

Специальная модификация требует баланса между сцеплением и другими функциями (такими как огнестойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям), и обычно используемые специальные типы связующих агентов включают:

Корпус электронного компонента из полиамида с огнестойким наполнением:

Формула: полиамидная смола + 20% красного фосфора + 1,5% фосфорного связующего агента + 0,5% антипирена-синергиста;

Эффект: кислородный индекс увеличился с 24% до 32%, достигнув уровня огнестойкости УЛ94 V-0, с сохранением предела прочности на разрыв более 85%, что соответствует требованиям пожарной безопасности электронных компонентов.

Дверные и оконные профили из ПВХ с наполнителем, устойчивые к атмосферным воздействиям:

Формула: ПВХ-смола + 30% карбонат кальция + 1,2% титанатный связующий агент + 0,3% светостабилизатор УФ-531;

Эффект: Профиль может эксплуатироваться на открытом воздухе в течение 5 лет без существенного старения, при этом сохраняется ударная вязкость более 70%, а стоимость снижается на 20%.

4. Проблемы и тенденции развития связующих агентов в производстве пластмасс

Хотя связующие агенты играют ключевую роль в модификации пластика, современные приложения по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как условия реакции, совместимость и защита окружающей среды. В будущем они будут развиваться в направлении высокой эффективности, многофункциональности и экологичности:

1. Текущая задача: баланс между производительностью и стоимостью приложений

Строгие условия реакции: для силановых связующих агентов требуется реакция гидролиза, высокая влажность и требования к контролю температуры, что может легко привести к сложным процессам модификации;

Ограничения совместимости: Отдельные связующие агенты имеют узкий диапазон адаптации, например, силановые связующие агенты оказывают слабое воздействие на неполярные смолы (ПЭ, ПП);

Требования по соблюдению экологических норм: некоторые связующие агенты на основе эфира титана содержат тяжелые металлы (например, свинец и олово), которые не соответствуют директиве ЕС RoHS и другим экологическим стандартам.

2. Тенденция развития: технологические инновации стимулируют модернизацию

Многофункциональный связующий агент: разработка интегрированных продуктов, сочетающих в себе свойства "соединений + антиоксидантов + атмосферостойкости, таких как силановые связующие агенты, содержащие антиоксидантные группы, упрощение формул и адаптация к модификации высококачественных пластиков;

Экологичный связующий агент: разработка не содержащих тяжелых металлов эфиров титановой кислоты и связующих агентов на основе силана на биологической основе (например, силана на растительной основе), которые соответствуют экологическим требованиям и подходят для использования в пластиковых упаковках для пищевых продуктов и фармацевтических препаратов;

Наносвязующий агент: использование наносвязующих агентов для увеличения удельной площади поверхности, повышения эффективности взаимодействия с наполнителями и смолами, уменьшения количества добавляемых компонентов (с 1% до 0,5%) и снижения затрат;

Реактивный связующий агент: Разработать связующие агенты, которые могут полимеризоваться в место со смолами, такие как силановые связующие агенты, содержащие двойные связи, для формирования более прочных межфазных связей при сополимеризации ПЭ и ПП, улучшая долгосрочную стабильность.

5. Резюме: Связующее вещество – связующее звено для модификации пластика.

От автомобильных компонентов, армированных стекловолокном, до сельскохозяйственных пленок с наполнителем из карбоната кальция и модифицированных корпусов электронных компонентов с огнестойкими свойствами – связующие агенты обеспечивают баланс между "дешевыми" и "hвысокимипроизводительными пластиками, создавая мостики между неорганическими и органическими компонентами. Они не только являются "базовыми добавками" для решения проблем дисперсии наполнителя и сцепления на границе раздела, но и напрямую определяют область применения модифицированных пластиков (например, в автомобилях, электронике, строительных материалах). В будущем, благодаря прорывам в исследованиях и разработках многофункциональных и экологичных связующих агентов, отрасль модификации пластиков будет и дальше продвигаться в сторону высокотехнологичных и экологически безопасных разработок, способствуя созданию более высокопроизводительных пластиковых изделий.