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树脂产品新观念--作为添加剂的颗粒状有机硅树脂 |
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作者：Rudolf Hager, Michael Geck 来源：PT现代塑料 |
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将有机硅材料用于塑料业始于20世纪70年代初。
最初，硅油是作为内部润滑剂以及脱模剂用于聚烯烃注射成型。由于它们与聚烯烃之间的不相容性，低分子量的液态有机硅会迁移至表面，并铺展开；这极大的限制了该类硅油的应用，如：当塑料需要被印刷、上漆或接触食品时。
如果使用超高分子量(uhmw)聚二甲基硅氧烷来代替普通低粘度或中等粘度的硅油，那么这些问题便能够得到解决。这些被称作硅树脂的产品有超过10×106mm2/s的粘度，使它们无法移动富集于表面。然而，它们也有不足之处，由于无法进行定量给料，使得它们难以在塑料的连续混合加工中使用。
近些年来，一种新型产品系列开始投入使用，它结合了超高分子量聚二甲基硅氧烷和固体颗粒易于定量添加的优点，是一种以有机聚合物为载体的高有机硅含量母料。
图1：GENIOPLAST Pellet S
加工助剂的主要性能要求有：
改善加工性和流动性、消除熔体破裂、减少模头积聚物、降低挤出机扭矩，提高生产能力、更好地充模和脱模、改进表面的光滑性及光泽性、不会对机械性能等聚合物性能产生不良影响。
通常加入0.1-1%的聚二甲基硅氧烷添加剂便能改善加工性能，若要对表面及机械性能产生正面影响，1-5%的用量是必要的。
瓦克化学的颗粒状有机硅添加剂
瓦克有机硅公司近来开发了一种全新的产品——GENIOPLAST ?PELLET S ，一种超高分子量有机硅树脂。它能完全地融入到产品连续加工中。如图1中所示，一种白色半透明状的圆柱形颗粒。
除了突出的使用功效，GENIOPLAST Pellet S与几乎所有的现有热塑性聚合物相容。这就意味着——相比上述的有机硅母料——这种产品可适用于几乎所有的塑料聚合物。物流变得简单，出错概率降低。
GENIOPLAST Pellet S将高含量的超高分子量聚二甲基硅氧烷负载于二氧化硅之上，而该载体不会影响聚合物本身性能和加工性能。这种产品可以定量地加入到塑料聚合物中，或与树脂进行干混。
实验依据
制备混合材料时，颗粒状塑料原料或颗粒状聚硅氧烷必须按一定的所需比例混合，然后由共转式双螺杆挤出机进行挤出成型(ZE 25, Berstorff)。
◆挤出参数如下：
长径比 33
螺杆转速：400 rpm
挤出量：10 kg/h
喷嘴口温度：低密度聚乙烯/高密度聚乙烯为190℃，聚丙烯为220℃
◆以下为所用的原料（热塑性塑料和填料）
低密度聚乙烯，Lupolen 2420 H (BASELL)
高密度聚乙烯，Lupolen 5031L (BASELL)
聚丙烯，Moplen 456H (BASELL)
乙烯－乙酸乙烯共聚物，Escorene UL 00119 (EXXON)
ATH, Martinal OL-104 (ALBEMARLE)
MDH, Magnifin H5 MV (ALBEMARLE)
碳酸钙Millicarb OG (OMYA)
云母，A10X C (LUZENAC)
用于热塑性塑料的颗粒状有机硅树脂用量从0.2 %-5 %不等。加工前，颗粒状有机硅树脂与热塑性塑料进行干混。此外，这种颗粒状有机硅树脂可由带有特殊加料螺杆的侧向加料口定量加入。
◆混合物的主要机械性能及表面特性由下列方法进行测试：
根据EN ISO 1133标准，使用Goettfert熔体流动速率测试仪对MFR(熔体流动速率)进行测量。熔体流动速率是一种熔体粘度特性参数；高熔体流动速率意味着低熔体粘度。
使用单螺杆挤出机(EMEX-30, 20 D)进行扭矩性能测试。模拟100％装载量，螺杆转速为30 rpm。扭矩性能是一种在标准状态下进行加工的平均能源消耗量。较低的扭矩意味着较低的动力消耗。
根据EN ISO 527标准，进行断裂伸长率的测量，确定抗张强度
根据EN ISO 179标准，以Charpy 切口冲击强度测试法来测定冲击性能
根据DIN 53754标准，使用ERICHSEN Taber 5131研磨器来测试表面的耐磨损性，通过测定表面的重量损失来确定磨损量。
图2：低密度聚乙烯挤出时的扭矩降低示图
结果讨论
扭矩
通过测量扭矩来评价GENIO-PLAST ? Pellet S在降低内部和外部摩擦上的润滑效果。
如图2所示，在没有添加剂的情况下，单螺杆挤出机在指定条件下进行低密度聚乙烯挤出时的最大能源消耗量为60％。然而，只需添加0.4%的GENIOPLAST Pellet S便能将扭矩降至约50 %。一种引人关注却在意料之中的现象是颗粒状树脂比50％含量的母料具有了更好的效果。
这一结果并不出乎人们的意料，因为相比母料，GENIOPLAST ?Pellet S具有更高的有机硅含量，同时，引人关注是因为以二氧化硅基为载体的颗粒状树脂不会产生任何负面影响。
同样的，GENIOPLAST Pellet S用于CaCO3填充聚丙烯时具有非常有效的润滑效果，这显然是因为不用添加剂加工有填料的树脂时的动力消耗要远远高于加工没有填料的树脂（见图 3）。同时，在ATH（氢氧化铝）的高装填量体系的聚乙烯挤出中，GENIOPLAST ?Pellet S则显示出了一定的功效，但并不显著。 
图3：以CaCO3为填料体系的聚丙稀挤出和以ATH
为填料体系的低密度聚乙烯挤出的扭矩降低示图
体粘度
对于高装填量和极高分子量的聚烯烃材料而言，低熔体粘度可以提高挤出能力，以避免过高的压力积累而产生在挤出时发生熔体破裂等副作用。
如图4中所示，无论是经填充的聚丙稀还是阻燃剂EVA（乙烯－乙酸乙烯共聚物）抑或是含ATH的聚乙烯，只需加入0.2%的GENIOPLAST ?Pellet S便能使熔体流动速率提高20％以上。特别是聚丙烯，添加剂含量越高（例如1％）则相对有更低的熔体粘度。这对缩短注塑成型的加工周期起着至关重要的作用。 
图4：颗粒状有机硅添加剂对于经装填的丙稀、乙烯－
乙酸乙烯共聚物和聚乙烯熔体粘度的影响
冲击性能
为了评估GENIOPLAST Pellet S对于聚烯烃机械性能所产生的影响，我们分别对经CaCO3填充的低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯（每组填料量各为40％），在没有添加剂、1％添加剂和5%添加剂情况下，分别测量Charpy缺口冲击强度，如图5中所示，所有的混合物冲击强度都随着颗粒状有机硅含量的提高而提高，然而，对于较高结晶度的高密度聚乙烯和聚丙烯而言，需要超过1％的添加剂才能达到性能上的显著改善。 
图5：经40％的CaCO3充填的低密度聚乙烯、高密度聚
乙烯和聚丙烯的Charpy切口冲击强度
抗张强度
对于加工助剂而言，其主要必备条件之一就是不能对热塑性聚合物的机械性能产生负面影响。如果能对性能起到改善作用则更为理想。GENIOPLAST ? Pellet S能提高有填充物的聚烯烃的抗张强度。图6中的添加剂对抗张伸展率的影响示图，就证明了这个结论。在所测试的一系列样品中，效果最明显的是经填充的高密度聚乙烯。含二氧化硅的有机硅树脂使得填料能够较好的进行分散，从而填料与聚合物树脂之间能较好地相互作用。
图6：不同填料的热塑性塑料的断裂伸长率
表面性能
通过Taber耐磨损测试来确定GENIOPLAST Pellet S对于各种填料的聚烯烃表面性能的影响。云母与碳酸钙的填充量为40％，低密度聚乙烯中ATH的装填量为60％。
从图7中可以得出结论，除了CaCO3填充的聚丙烯，需要使用大于1％的有机硅添加剂，无论对于聚丙烯、低密度聚乙烯还是高密度聚乙烯，0.2％的添加剂便足以显著地降低测试中表面的重量损失。 
图7：不同填料的聚烯烃在Taber耐磨损测试中的失重
降低示图
结论
由于有机硅和硅氧烷材料所具有的独特性能，使得它们具有广泛的商业用途。其中，正处于快速发展中的塑料工业对它们有着巨大需求。瓦克有机硅公司的最新添加剂GENIOPLAST ?PELLET S，能够极大地改善热塑性聚合物的加工性和流动性。同时，文章中的实验结果证明了这些性能的改善不会对其他的材料特性产生任何影响；相反还能改善冲击强度和抗张强度等机械性能。此外，使用远低于1％用量的添加剂，便能极大地如改善光滑性及光泽性等的表面性能。
GENIOPLAST Pellet S最大的优势在于它所具有的广泛使用性。相比目前的有机硅母料，只需一种产品便能满足几乎所有范围的热塑性塑料的加工需求；由于更高的有机硅含量，所以使用量更少。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(12/21/2004) |
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