2.1  硅烷偶联剂对碳酸钙和硅灰石的改性效果

为了考察分子链长不同的四种硅烷偶联剂对碳酸钙、硅灰石的改性效果，各取适量的改性碳酸钙、硅灰石，经无水乙醇在85℃左右抽提三次，在100℃真空烘箱中干燥至恒重，与干燥的未改性碳酸钙、硅灰石分别进行红外光谱分析，结果如图1所示。

 图1碳酸钙、硅灰石经改性及未改性的红外光谱图

a—碳酸钙；b—硅灰石

1—未改性处理：2一经ZH1305改性处理

从图1u可以看出，经改性后的碳酸钙分别在波数为3400cm-1、2910cm-1和1040cm-1处出现了NH、亚甲基的C—H键和Si—O基团的特征吸收峰。同样在改性硅灰石的红外谱图图16中也出现波数为2920cm-1附近的亚甲基的C-H键的特征吸收峰。这说明经硅烷偶联剂改性后，硅烷偶联剂连接或包覆在碳酸钙与硅灰石表面，形成改性包覆层。

2.2  碳酸钙与硅灰石对PVC力学性能的影响

为了分别考察改性碳酸钙、改性硅灰石的填充效果，分别制备了填充10%改性碳酸钙、10%改性硅灰石的PVC试样，并测定了各试样的力学性能结果如表1、2所示

表1  10%改性碳酸钙填充PVC试样的力学性能

由表1得到，添加改性碳酸钙后，PVC试样的力学性能都有明显提高，其中用ZH1305或WD51改性碳酸钙填充的PVC试样，拉伸及弯曲强度约为纯PVC的120%，冲击强度约为纯PVC的154%。由表2得到，添加改性硅灰石后，PVC试样的力学性能也有明显提高，用WD51改性硅灰石填充的PVC试样，拉伸及弯曲强度约为纯PVC的120%，弯曲模量约为纯PVC的124%。偶联剂ZH1305和WD51的改性效果优于KH550与KH560，这可能是因为共混时硅烷偶联剂较长的分子链更易于与基体树脂发生分子链缠结而形成柔性界面层，使改性粒子表观团粒细化，提高了粒子的分散性，改善了无机填料与聚氯乙烯基体的界面结合力和相容性，从而提高了复合材料的力学性能。比较表1、表2还可看出，改性硅灰石对PVC材料的弯曲强度及模量的影响较大，而改性碳酸钙则对PVC材料的冲击强度影响明显，这说明球状刚性粒子有利于PVC树脂的增韧，而针状刚性粒子有利于PVC树脂的增强6·7此外还发现，采用含有胺基的硅烷偶联剂处理无机粒子，对于提高复合材料的拉伸强度较为有利，而含有较长分子链的偶联剂更有助于提高复合材料的冲击韧性

为了验证碳酸钙与硅灰石两种不同形状因子的无机粒子对PVC材料性能的协同填充效应，制备了10%改性碳酸钙和10%改性硅灰石协同填充的PVC试样，测定了试样的力学性能。结果如表3所示。

由表3可以得到，协同填充PVC试样的力学性能有明显提高，尤其是用长链硅烷偶联剂改性后，PVC复合材料的冲击强度达到纯PVC的170%左右。比较表1、表2、表3可知，协同填充样条的拉伸、弯曲强度及模量均高于单填充样条，尤其是协同填充样条的冲击强度远优于单填充样条这说明改性碳酸钙与硅灰石之间有一定的协同填充作用，二者相互协调，充分发挥了二者不同的填充改性作用。这种协同作用通过下面的SEM分析得到证实。

表3  10%改性碳酸钙和10%改性硅灰石协同填充PVC试样的力学性能

2.3  SEM形貌观察与相容性探讨

当采用超细或微细填料填充时，微细粉体的表面能产生范德华力的作用，使原生粒子之间重新结合，形成团聚体，在聚合物中难以分散均匀。而填料经表面改性后，表观团粒细化，分散得到改观。因此表面改性对粒径细小的填料有特殊意义。在改性碳酸钙和改性硅灰石协同填充体系，性能测试显示，共混材料的力学性能良好。这可能是不同形状的碳酸钙和硅灰石改性后，在PVC中分散均匀，发挥了各形状粒子的整体优势。对PVC填充材料冲击断面的SEM照片如图2所示。

图2改性粒子协同填充PVC复合体系冲击断面的SEM照片

a-KH-560改性；b-WD51改性

由图2的SEM照片看到，用WD51改性的无机粒子与基体树脂间的相容性优于KH-560。用WD51改性后，碳酸钙与硅灰石在PVC基体中分散均匀，三者之间的相界面模糊，相容性较好；且硅灰石粒子穿插在碳酸钙粒子之间，起到阻隔碳酸钙粒子团聚的作用，克服了单一形状粒子的不足，发挥了各形状粒子的协同效应。同时冲击断面上起伏不平，有些刚性粒子脱落后形成空穴，有些硅灰石粒子一端脱落而另一端仍与PVC基体结合良好。因此材料冲击能量的耗散可能通过碳酸钙、硅灰石刚性粒子与基体之间的界面脱粘、纤维拔出、界面间的摩擦运动及界面层可塑性形变来实现的。

致谢：江西华杰泰矿纤科技有限公司提供硅灰石样品。