矿物填料的制备与性能测试，以及其在汽车内饰和外饰上的应用
前言
随着中国汽车工业的蓬勃发展，尤其是以汽车自动驾驶技术为代表的发展，传统汽车制造业正与智能网络技术融合，展现出迅猛的发展势头。这种趋势预示着人们对汽车内饰品质的需求进一步升级。
聚丙烯（PP）因其出色的加工性能、耐磨性和卓越的力学特性等优点，在汽车工业领域得到广泛应用。它主要用于汽车内外饰件的制造，如保险杠、仪表板等零部件。
但PP材料本身存在冲击强度不足等问题。为了提高其韧性和强度，通常采用无机填料对PP进行共混改性，以降低成本并提升性能。
矿物填料作为一种填充物，可以改善多种性能指标。增加填料的投入量有助于减少聚合物的使用量，从而实现成本节约。
当硫酸钡用作填料填充PP时，它能够最大程度地保留PP的光泽度，而使用高岭土填充PP可以借助其高强度来提升PP基材的强度。选择硫酸锁和高岭土，通过复合偶联剂的协同作用，对PP进行了共混改性。
研究了三种偶联剂以及它们之间的两两复合对多种填料性能的影响，并通过正交试验方法优化了实验配方，实现了通过复合偶联剂的改性来增强和增韧聚丙烯材料。
试样制备
将KH-550以乙醇为稀释剂，制备出浓度为5%的溶液，同时将溶液的pH值调整至4~5。取偶联剂量为填料质量的2%，在填料研磨过程中滴加稀释后的溶液，随后将其置于电热恒温干燥箱中，在120°C下干燥2小时。
钦酸醋偶联剂表面改性填料：将填料放入三口烧瓶中，加入异丙醇稀释的NDZ-105。取偶联剂量为填料质量的2%，在加热搅拌均匀后，进行抽滤，随后进行三次清洗，最终在120°C下烘干2小时。
将填料放入混合器中进行搅拌均匀，然后在75°C的条件下均匀加入铝酸酷偶联剂。取偶联剂量为填料质量的2%，在混合均匀后即可得到铝酸酷表面改性的填料。
复合偶联剂表面改性填料：当两种不同类型的偶联剂用于复合改性填料时，先加入以化学吸附为主的偶联剂，然后再加入以物理吸附为主的偶联剂。偶联剂的加入顺序为硅烷偶联剂、钦酸酷偶联剂、铝酸酷偶联剂。
将经过处理的复合填料与PP按照配方比例称重后进行充分混合，然后将混合物送入挤出机进行挤出，螺杆转速为210转/分钟。
挤出后的材料经切割成颗粒后，置于电热恒温干燥箱中，在80°C下烘干5小时，最终使用注塑机制造出试样。
性能测试与表征
拉伸性能测试遵循GB/T 1040-2006标准进行，弯曲性能测试遵循GB/T 9341-2008标准进行，悬臂梁缺口冲击强度测试遵循GB/T 1843-2008标准进行。
熔体质量流动速率 (MFR) 测试：按照GB/T 3682-2000标准进行，测试温度为230°C，加载质量为2.16 kg。
断面形貌分析 (SEM)：将试样在液氮环境下低温静置12小时，然后迅速进行断裂处理，在镀金后使用电子显微镜进行观察和拍照。
不同偶联剂对多填料填充 PP 的性能影响
在B组中，硅烷偶联剂单独作用时，拉伸强度和弯曲强度提升最为显著。这主要是因为KH-550与高岭土的界面能形成强化的化学键，使界面附着力得到加强，从而在力学性能上获得最大提升。
在C组中，钦酸酷偶联剂单独作用时，断裂伸长率提升最大。钦酸酷偶联剂的亲水基团与填料表面形成稳定的化学键，同时亲有机基团与聚丙烯的极性相符，增加了填料与PP之间的相容性。
在D组中，铝酸酷偶联剂单独改性填料时，获得了最佳的悬臂梁缺口冲击强度。这一效果的背后原因在于，改性填料的应力传递过程中，在基体的应力集中点形成了银纹，而强化的界面附着力阻碍了银纹的扩展，从而形成了钉扎效应，提高了缺口冲击强度。
同时与受力方向平行的单元能够产生滑移，从而实现塑性变形，增强了材料的韧性。
各组复合偶联剂在力学性能方面均达到了一定的均衡。特别是在G组中，铝酸酷与钦酸醋的复合改性对填料的效果良好。这是因为它同时兼具了钦系和铝系偶联剂的特点，使得性能改善效果超越了单一处理的结果。
对流动性能的影响
在D组中，铝酸酷偶联剂的添加明显地改善了基体的 MFR，而在G组中次之。这种现象可以归因于填料表面性质的改变，从亲水性向疏水性的转变，进一步提升了填料的分散性。
这样的改善现象表明，偶联剂的引入在填料表面形成了一层润滑效果，进而增强了材料的流动性和加工性能。
偶联剂种类的选择
尽管在某些性能测试中，各组样品在经过偶联剂处理后都表现出不同程度的性能提升。但在在G组中，通过钦酸酷偶联剂和铝酸酷偶联剂的复合改性对高岭土和硫酸钡填充的聚丙烯材料进行改性，取得了相对较好的综合性能。
因此选择采用这一复合偶联剂进行多种填料填充的聚丙烯材料的优化试验。
实验方案
实验考察了两个关键因素，即高岭土含量 (A) 和硫酸钡含量 (B)，同时还考虑了高岭土与硫酸钡之间的交互作用 (AxB)。
通过使用 Minitab 软件，基于拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率、熔体质量流动速率以及缺口冲击强度等指标，对正交试验表进行了深入分析。
实验所采用的具体配方为：PP : 高岭土 : 硫酸钡 = 100 : A : B，且偶联剂的含量占填料总含量的 2%。
实验数据分析
将实验数据导入正交试验表后，得到了如表中所示的多指标正交试验结果。采用极差分析法结合 Minitab 软件，进行了均值响应分析和信噪比分析。
其中信噪比采用“望大”方式，并采用综合平衡法对多指标正交实验结果进行了综合分析。在多种填料共同改性下，我们观察到对于拉伸强度的影响。
高岭土的作用明显大于硫酸钡，因为经偶联剂处理后，高岭土与基体界面的附着力增强，从而有效提升了拉伸强度。综合表格数据，最优方案为 A,B。
在考虑填料之间的相互作用时，我们发现交互作用对于断裂伸长率的影响最大。在表中，水平为 3 的效果最佳，水平为 1 次之，因此我们选择了最优水平为 3。
对于弯曲强度，我们观察到高岭土与硫酸钡之间的交互作用影响最大。结合交互作用数据，我们得出最优交互作用水平为 2。
在缺口冲击强度方面，由于硫酸钡的微观粒状结构有利于冲击时的脱离和空穴形成，从而阻止银纹的扩张，使得硫酸钡对于缺口冲击强度的影响较大。最优方案为 A,B。
硫酸钡的粒状结构更有利于均匀分散和流动性。对于熔体质量流动速率的影响，硫酸钡的作用大于高岭土，因此最优方案为 A,B。
通过对信噪比主效应图的分析，综合考虑各项性能，我们选择了因素 A 的最佳水平为 A,，因素 B 的最佳水平为 B,。综合以上分析，最优组合方案为 A,B。
可以得出高岭土对于拉伸性能的提升效果显著，能够增强材料的强度。而硫酸钡在缺口冲击强度和熔融指数方面有较大影响，可以提升材料的刚性、韧性和加工性能。
这是因为高岭土的片状结构有助于增强基体与填料的相互作用，而硫酸钡的粒状结构能够吸收能量，提升冲击性能。
正交试验结论
高岭土在本试验中发挥了增强作用，而硫酸钡则起到了增韧作用。特别是高岭土与硫酸钡之间的交互作用在影响断裂伸长率和弯曲强度方面具有显著作用。
从实验数据中我们可以推测，在弯曲模量、断裂伸长率和熔体质量流动速率等性能方面，高岭土与硫酸钡之间存在着协同作用。综合考虑综合性能的提升，选择了 A,B,组作为最优方案，即将PP与高岭土和硫酸钡的配比设置为100:20:40。
复合材料的 SEM 分析
SEM 图像显示了经高岭土/硫酸钡改性的PP体系断面。从图 b 中可以观察到，白色颗粒代表硫酸钡，而暗部则为聚丙烯基体。另一方面，在图 7d 中，可以清晰地看到高岭土呈现出小块片状的形态。
图 c 中展示了硫酸钡和高岭土均匀地分散在体系中。通过复合偶联剂处理后，填料与聚丙烯之间的吸附力在冲击过程中产生了显著的阻力，从而实现了粒子对应力的传递。
在冲击断面上，形成了许多粒子脱离后的空穴，且没有明显的团聚现象。这表明复合偶联剂增强了聚丙烯与填料之间的相互作用，进而提升了复合材料的韧性。
结论
复配钦酸酷偶联剂与铝酸酷偶联剂对高岭土和硫酸钡填充的PP进行改性，显著提升了复合材料的综合性能。
在力学性能和流动性方面都表现出明显的改善，且在某些性能测试中，提升效果优于单一偶联剂改性填料的组别。
通过采用交互作用的多指标正交试验对PP/高岭土/硫酸钡/复合偶联剂体系进行优化，确定了最佳复合材料配方为PP:高岭土:硫酸锁=100:20:40，偶联剂含量为填料含量的2%。
正交试验的结果表明，高岭土对于拉伸性能影响较大，起到了增强作用；硫酸钡在提升缺口冲击强度和熔体质量流动速率方面具有较大的作用，起到了增韧作用。
在弯曲模量、断裂伸长率和熔体质量流动速率等性能方面，高岭土与硫酸钡在PP中发挥了协同作用。通过按比例复配两者，相较于单独使用，这几项性能均得到了提升。经改性的复合材料能够满足汽车内饰用聚丙烯的性能要求。
参考文献
<1> 郑水林.影响粉体表面改性效果的主要因素
.中国非金属矿工业导刊，2003 (1): 13-16. <2> 王成. PP/改性高岭土复合材料制备及性能研究
淄博: 山东理工大学，2014. <3> 章文贡，陈田安，陈文定.新型铝酸酷偶联剂 DL-411-A在硬聚氯乙烯制品中的应用
.塑料工业，1988(4): 51-53，6. <4> 薛颜彬.无机超细粒子改性聚丙烯复合材料结构与性能的研究
.青岛: 青岛科技大学，2007. <5> 程蓉.复杂生产环境下优化调度方法研究与系统实现
.武汉: 华中科技大学，2006.