將有機(jī)硅材料用于塑料業(yè)始于20世紀(jì)70年代初。最初，硅油是作為內(nèi)部潤(rùn)滑劑以及脫模劑用于聚烯烴注射成型。由于它們與聚烯烴之間的不相容性，低分子量的液態(tài)有機(jī)硅會(huì)遷移至表面，并鋪展開；這極大的擴(kuò)展了該類硅油的應(yīng)用，如：當(dāng)塑料需要被印刷、上漆或接觸食品時(shí)。
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| GENIOPLAST* Pellet S |
如果使用超高分子量(UHMW)聚二甲基硅氧烷來代替普通低粘度或中等粘度的硅油，那么這些問題便能夠得到解決。這些被稱作硅樹脂的產(chǎn)品有超過10×106mm2/s的粘度，使它們無法移動(dòng)富集于表面。然而，它們也有不足之處，由于無法進(jìn)行定量給料，使得它們難以在塑料的連續(xù)混合加工中使用。
近些年來，一種新型產(chǎn)品系列開始投入使用，它結(jié)合了超高分子量聚二甲基硅氧烷和固體顆粒易于定量添加的優(yōu)點(diǎn)，是一種以有機(jī)聚合物為載體的高有機(jī)硅含量母料。
加工助劑的主要性能要求有：
● 改善加工性和流動(dòng)性
● 消除熔體破裂
● 減少模頭積聚物
● 降低擠出機(jī)扭矩，提高生產(chǎn)能力
● 更好地充模和脫模
● 改進(jìn)表面的光滑性及光澤性
● 不會(huì)對(duì)機(jī)械性能等聚合物性能產(chǎn)生不良影響
通常加入0.1-1 %的聚二甲基硅氧烷添加劑便能改善加工性能，若要對(duì)表面及機(jī)械性能產(chǎn)生正面影響，1-5 %的用量是必要的。
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| 低密度聚乙烯擠出時(shí)的扭矩降低示圖 |
瓦克化學(xué)的顆粒狀有機(jī)硅添加劑
瓦克有機(jī)硅公司近來開發(fā)了一種全新的產(chǎn)品—GENIOPLAST* PELLET S ，一種超高分子量有機(jī)硅樹脂。它能完全地融入到產(chǎn)品連續(xù)加工中。如圖1中所示，一種白色半透明狀的圓柱形顆粒。
除了突出的使用功效，GENIOPLAST* Pellet S與幾乎所有的現(xiàn)有熱塑性聚合物相容。這就意味著 —相比上述的有機(jī)硅母料 — 這種產(chǎn)品可適用于幾乎所有的塑料聚合物。物流變得簡(jiǎn)單，出錯(cuò)概率降低。
GENIOPLAST* Pellet S將高含量的超高分子量聚二甲基硅氧烷負(fù)載于二氧化硅之上，而該載體不會(huì)影響聚合物本身性能和加工性能。這種產(chǎn)品可以定量地加入到塑料聚合物中，或與樹脂進(jìn)行干混。
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| 以CaCO3為填料體系的聚丙稀擠出和以ATH為填料體系的低密度聚乙烯擠出的扭矩降低示圖 |
實(shí)驗(yàn)依據(jù)
制備混合材料時(shí)，顆粒狀塑料原料或顆粒狀聚硅氧烷必須按一定的所需比例混合，然后由共轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出成型(ZE 25, Berstorff)。擠出參數(shù)如下：
◆ 長(zhǎng)徑比 33
◆ 螺桿轉(zhuǎn)速：400rpm
◆ 擠出量：10kg/h
◆ 噴嘴口溫度：低密度聚乙烯/高密度聚乙烯為190℃，聚丙烯為220℃。
以下為所用的原料（熱塑性塑料和填料）
● 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)
● 碳酸鈣Millicarb OG (OMYA)
● 云母，A10X C (LUZENAC)
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| 顆粒狀有機(jī)硅添加劑對(duì)于經(jīng)裝填的丙稀、乙烯－乙酸乙烯共聚物和聚乙烯熔體粘度的影響 |
用于熱塑性塑料的顆粒狀有機(jī)硅樹脂用量從0.2 %－5 %不等。加工前，顆粒狀有機(jī)硅樹脂與熱塑性塑料進(jìn)行干混。此外，這種顆粒狀有機(jī)硅樹脂可由帶有特殊加料螺桿的側(cè)向加料口定量加入。
混合物的主要機(jī)械性能及表面特性由下列方法進(jìn)行測(cè)試：
● 根據(jù)EN ISO 1133標(biāo)準(zhǔn)，使用Goettfert熔體流動(dòng)速率測(cè)試儀對(duì)MFR(熔體流動(dòng)速率)進(jìn)行測(cè)量。熔體流動(dòng)速率是一種熔體粘度特性參數(shù)；高熔體流動(dòng)速率意味著低熔體粘度。
● 使用單螺桿擠出機(jī)(EMEX-30, 20 D)進(jìn)行扭矩性能測(cè)試。模擬100％裝載量，螺桿轉(zhuǎn)速為30 rpm。扭矩性能是一種在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行加工的平均能源消耗量。較低的扭矩意味著較低的動(dòng)力消耗。
● 根據(jù)EN ISO 527標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)量，確定抗張強(qiáng)度
● 根據(jù)EN ISO 179標(biāo)準(zhǔn)，以Charpy 切口沖擊強(qiáng)度測(cè)試法來測(cè)定沖擊性能
● 根據(jù)DIN 53754標(biāo)準(zhǔn)，使用ERICHSEN Taber 5131研磨器來測(cè)試表面的耐磨損性，通過測(cè)定表面的重量損失來確定磨損量。
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| 經(jīng)40％的CaCO3充填的低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯的Charpy切口沖擊強(qiáng)度 |
結(jié)果討論
扭矩
通過測(cè)量扭矩來評(píng)價(jià)GENIOPLAST* Pellet S在降低內(nèi)部和外部摩擦上的潤(rùn)滑效果。
如圖2所示，在沒有添加劑的情況下，單螺桿擠出機(jī)在指定條件下進(jìn)行低密度聚乙烯擠出時(shí)的最大能源消耗量為60％。然而，只需添加0.4%的GENIOPLAST* Pellet S便能將扭矩降至約50 %。一種引人關(guān)注卻在意料之中的現(xiàn)象是顆粒狀樹脂比50％含量的母料具有了更好的效果。
這一結(jié)果并不出乎人們的意料是因?yàn)橄啾饶噶?，GENIOPLAST* Pellet S具有更高的有機(jī)硅含量，同時(shí)，引人關(guān)注是因?yàn)橐远趸杌鶠檩d體的顆粒狀樹脂不會(huì)產(chǎn)生任何負(fù)面影響。
同樣的，GENIOPLAST* Pellet S用于CaCo3填充聚丙烯時(shí)具有非常有效的潤(rùn)滑效果，這顯然是因?yàn)椴挥锰砑觿┘庸び刑盍系臉渲瑫r(shí)的動(dòng)力消耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于加工沒有填料的樹脂（見圖3）。同時(shí)，在ATH（氫氧化鋁）的高裝填量體系的聚乙烯擠出中，GENIOPLAST* Pellet S則顯示出了一定的功效，但并不顯著。
熔體粘度
對(duì)于高裝填量和極高分子量的聚烯烴材料而言，低熔體粘度可以提高擠出能力，以避免過高的壓力積累而產(chǎn)生在擠出時(shí)發(fā)生熔體破裂等副作用。
如圖4中所示，無論是經(jīng)填充的聚丙稀還是阻燃劑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便能使熔體流動(dòng)速率提高20％以上。特別是聚丙烯，添加劑含量越高（例如1％）則相對(duì)有更低的熔體粘度。這對(duì)縮短注塑成型的加工周期起著至關(guān)重要的作用。
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| 不同填料的熱塑性塑料的斷裂伸長(zhǎng) |
沖擊性能
為了評(píng)估GENIOPLAST* Pellet S對(duì)于聚烯烴機(jī)械性能所產(chǎn)生的影響，我們分別對(duì)經(jīng)CaCO3填充的低密度聚乙烯、高密度聚乙烯和聚丙烯（每組填料量各為40％），在沒有添加劑、1％添加劑和5%添加劑情況下，分別測(cè)量Charpy缺口沖擊強(qiáng)度，如圖5中所示，所有的混合物沖擊強(qiáng)度都隨著顆粒狀有機(jī)硅含量的提高而提高，然而，對(duì)于較高結(jié)晶度的高密度聚乙烯和聚丙烯而言，需要超過1％的添加劑才能達(dá)到性能上的顯著改善。
抗張強(qiáng)度
對(duì)于加工助劑而言，其主要必備條件之一就是不能對(duì)熱塑性聚合物的機(jī)械性能產(chǎn)生負(fù)面影響。如果能對(duì)性能起到改善作用則更為理想。GENIOPLAST* Pellet S能提高有填充物的聚烯烴的抗張強(qiáng)度。圖6中的添加劑對(duì)抗張伸展率的影響示圖，就證明了這個(gè)結(jié)論。在所測(cè)試的一系列樣品中，效果最明顯的是經(jīng)填充的高密度聚乙烯。含二氧化硅的有機(jī)硅樹脂使得填料能夠較好的進(jìn)行分散，從而填料與聚合物樹脂之間能較好地相互作用。
表面性能
通過Taber耐磨損測(cè)試來確定GENIOPLAST* Pellet S對(duì)于各種填料的聚烯烴表面性能的影響。云母與碳酸鈣的填充量為40％，低密度聚乙烯中ATH的裝填量為60％。
從圖7中可以得出結(jié)論，除了CaCO3填充的聚丙烯，需要使用大于1％的有機(jī)硅添加劑，無論對(duì)于聚丙烯、低密度聚乙烯還是高密度聚乙烯，0.2％的添加劑便足以顯著地降低測(cè)試中表面的重量損失。
結(jié)論
由于有機(jī)硅和硅氧烷材料所具有的獨(dú)特性能，使得它們具有廣泛的商業(yè)用途。其中，正處于快速發(fā)展中的塑料工業(yè)對(duì)它們有著巨大需求。因此，需要我們更加努力地研究新型解決方案以推動(dòng)材料性能和加工處理方面的不斷改進(jìn)。
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| 不同填料的聚烯烴在Taber耐磨損測(cè)試中的失重降低示圖 |
瓦克有機(jī)硅公司的最新添加劑GENIOPLAST(R) PELLET S，能夠極大地改善熱塑性聚合物的加工型和流動(dòng)性。同時(shí)，文章中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這些性能的改善不會(huì)對(duì)其他的材料特性產(chǎn)生任何影響；相反還能改善沖擊強(qiáng)度和抗張強(qiáng)度等機(jī)械性能。
此外，使用遠(yuǎn)低于1％用量的添加劑，便能極大地如改善光滑性及光澤性等的表面性能。
GENIOPLAST(R) PELLET S最大的優(yōu)勢(shì)在于它所具有的廣泛使用性。相比目前的有機(jī)硅母料，只需一種產(chǎn)品便能滿足幾乎所有范圍的熱塑性塑料的加工需求；由于更高的有機(jī)硅含量，所以使用量更少。
（轉(zhuǎn)載）
