Aplikácia spojovacích činidiel v plastových výrobkoch

Spojovacie činidlo je premosťujúce činidlo spájajúce anorganické plnivá (ako je uhličitan vápenatý a sklenené vlákna) a organické živice v plastových výrobkoch. Reakciou rôznych funkčných skupín na oboch koncoch molekuly s hydroxylovými skupinami na povrchu molekulárnych reťazcov plniva a živice sa zlepšuje kompatibilita medzi nimi a rieši sa problém znížených mechanických vlastností plastov spôsobených nerovnomerným rozptýlením plnív a slabými medzifázovými väzbami. Je vhodné pre takmer všetky typy plastov, ako sú PE, PP, PVC, PET, PA atď., a široko sa používa na plnenie, modifikáciu a zlepšenie výroby modifikovaných plastov. Dokáže zvýšiť pevnosť v ťahu plastov o 10 % – 30 % a rázovú húževnatosť o 20 % – 50 %. V súčasnosti sa vyvíja smerom k multifunkčnosti a nízkej toxicite a je základnou prísadou do plastov na dosiahnutie vysokého výkonu a nízkych nákladov.

1. Základný mechanizmus väzbových činidiel: tvorba anorganických organických medzifázových mostíkov

Pri modifikácii plastov majú anorganické plnivá (ako je uhličitan vápenatý a mastenec) veľký rozdiel v polarite s organickými živicami, sú náchylné na aglomeráciu a majú slabé medzifázové väzby. Kopulačné činidlá riešia tento problém obojsmernou interakciou a špecifický mechanizmus možno rozdeliť do troch kategórií:

1. Typ chemickej väzby (silánové spojovacie činidlo): vytvára stabilné chemické spojenia

Molekuly silánu ako kopulačných činidiel obsahujúce siloxánové skupiny (reagujúce s anorganickými plnivami) a organické funkčné skupiny (reagujúce so živicami) sú najbežnejšie používanými typmi:

Dráha účinku: Siloxány hydrolyzujú za vzniku silanolových skupín, ktoré potom dehydratujú a kondenzujú s hydroxylovými skupinami na povrchu plnív za vzniku kovalentných väzieb Si-O-plnivo; Druhý koniec organickej funkčnej skupiny (ako sú amino a epoxidové skupiny) podlieha chemickej reakcii s molekulárnym reťazcom živice, čím sa vytvorí stabilné rozhranie medzi spojovacou látkou plniva a živicou;

Reprezentatívne produkty: KH-550 (aminosilán), KH-560 (epoxidový silán);

Adaptačný scenár: Sklenenými vláknami vystužený PA a mastencom plnený PP výrazne zlepšujú pevnosť medzifázového spoja.

2. Koordinačný typ väzby (titánový esterový kopulačný prostriedok): zvyšuje dispergovateľnosť plnív

Titanátové kopulačné činidlá sa koordinujú s hydroxylovými skupinami na povrchu plnív prostredníctvom titánových kyslíkových väzieb, zatiaľ čo alkylové skupiny s dlhým reťazcom sú kompatibilné so živicami, pričom sa zameriavajú na zlepšenie disperzie plnív:

Dráha účinku: Anorganický koniec molekuly titaničitanu tvorí koordinačnú väzbu s hydroxylovou skupinou na povrchu plniva a alkylová skupina s dlhým reťazcom na organickom konci sa vkladá do reťazca molekuly živice, čím sa znižuje agregácia plniva a zlepšuje sa rovnomernosť disperzie;

Reprezentatívne produkty: TMC-101 (monoalkoxy typ), TMC-201 (chelatačný typ);

Adaptačný scenár: PE a PVC plnený uhličitanom vápenatým na zníženie viskozity taveniny a zlepšenie tekutosti plastov pri spracovaní.

3. Typ fyzikálnej adsorpcie (hlinitanové spojovacie činidlo): nízkonákladová modifikácia povrchu

Kopulačné činidlá na báze esterov hliníka priľnú k povrchu plnív fyzikálnou adsorpciou s nižšími nákladmi ako silánové a titaničitanové estery a sú vhodné pre scenáre s nízkymi požiadavkami na výkon:

Dráha účinku: Kyslíkaté skupiny hliníka v molekule sa fyzicky adsorbujú s hydroxylovými skupinami na povrchu plniva a organické skupiny zlepšujú kompatibilitu medzi plnivom a živicou;

Reprezentatívny produkt: DL-411-A (monoalkoxy typ);

Adaptačný scenár: Ľahké tkané vrecia a rúry z PE plnené uhličitanom vápenatým z PP, ktoré znižujú výrobné náklady a zároveň mierne zlepšujú mechanické vlastnosti.

2. Bežné typy spojovacích činidiel a kompatibilné plasty: charakteristiky a prispôsobenie sa scéne

Rôzne spojovacie činidlá sa výrazne líšia v reakčnej aktivite, kompatibilite a cene a mali by sa vyberať podľa typu plniva, druhu plastu a cieľa modifikácie:

1. Silánové spojovacie činidlo: výhodné na zlepšenie modifikácie, vhodné pre polárne živice

Silánové spojovacie činidlá majú silnú chemickú väzbovú silu, sú vhodné najmä pre plnivá obsahujúce hydroxylovú skupinu, ako sú sklenené vlákna a oxid kremičitý, a sú kompatibilné s polárnymi živicami.

Hlavné výhody: Zlepšenie pevnosti spoja medzi rozhraním, výrazné zvýšenie pevnosti v ťahu a ohybe plastov;

Kompatibilné plasty: PA, PET, PC (polárna živica);

Typické aplikácie: Automobilové komponenty z PA vystužené sklenenými vláknami (ako napríklad držiaky motora), PET fľaše na nápoje plnené oxidom kremičitým (na zvýšenie tuhosti).

2. Titanátové spojovacie činidlo: hlavná sila modifikácie plniaceho materiálu, vhodné pre nepolárne živice

Kopulačné činidlá na báze titánových esterov majú dobrú dispergovateľnosť a sú vhodné pre nesilikónové plnivá, ako je uhličitan vápenatý a mastenec, ako aj pre nepolárne živice.

Hlavné výhody: zníženie aglomerácie plniva, zlepšenie tekutosti plastov pri spracovaní a zvýšenie rázovej húževnatosti;

Kompatibilné plasty: PE, PP, PVC (nepolárna/slabo polárna živica);

Typické aplikácie: PE fólia plnená uhličitanom vápenatým (zlepšuje húževnatosť), PP kryt domácich spotrebičov plnený mastencem (znižuje mieru zmršťovania).

3. Hlinitanové spojivo: lacná voľba, vhodná pre stredne až lacné produkty

Spojovacie činidlá esterov hlinitých majú nízke ceny a sú ľahko použiteľné, vhodné pre plasty so stredným až nízkym obsahom plnenia s nízkymi požiadavkami na výkon:

Hlavné výhody: Zjednodušený proces modifikácie, nie je potrebná hydrolýza pri vysokej teplote, priamo sa mieša s plnivami;

Kompatibilné plasty: PP, PE, PVC;

Typické aplikácie: Tkané vrecia z polypropylénu plnené uhličitanom vápenatým (zníženie nákladov), PVC rúry plnené mastencom (zlepšenie rozmerovej stability).

4. Iné typy spojovacích činidiel: prispôsobenie sa špeciálnym scenárom

Typ štepenia maleínanhydridom: Reakciou štepiacich skupín so živicou je vhodný na modifikáciu výstuže PP a PE, ako napríklad použitie PP štepeného maleínanhydridom pre PP vystužený sklenenými vláknami;

Spojovacie činidlo na báze fosforu: Má spojovacie aj spomaľovacie funkcie a je vhodné na modifikáciu PA a PC s funkciou spomaľovania horenia. Napríklad spojovacie činidlo na báze fosforu sa používa na vyplnenie vonkajšieho plášťa elektronických súčiastok PA červeným fosforom.

3. Prax aplikácie spojovacích činidiel v kľúčových plastových výrobkoch: Návrh receptúry založený na scenároch

Aplikácia spojovacích činidiel vyžaduje prispôsobené receptúry založené na cieľovej modifikácii typu plastového plniva. Nasledujú typické prípady:

1. Vylepšenie modifikovaných plastov: zlepšenie mechanických vlastností

Vylepšená modifikácia sklenenými a uhlíkovými vláknami ako plnivami s hlavným cieľom zlepšiť plastickú pevnosť, bežne s použitím silánových spojovacích činidiel:

Automobilový držiak z PA vystuženého sklenenými vláknami:

Vzorec: PA živica + 30 % sklenených vlákien + 1,2 % silánové spojivo KH-550 + 0,3 % antioxidant 1010;

Účinok: Pevnosť v ťahu sa zvýšila zo 60 MPa na 120 MPa a pevnosť v ohybe sa zvýšila z 80 MPa na 180 MPa, čím sa splnili požiadavky na namáhanie automobilových komponentov.

Telo notebooku vystužené uhlíkovými vláknami:

Vzorec: PC živica + 15 % uhlíkových vlákien + 0,8 % silánové spojivo KH-560 + 0,2 % stabilizátor svetla UV-327;

Účinok: Rázová húževnatosť sa zvýšila zo 60 kJ/m² na 90 kJ/m² a hmotnosť sa znížila o 20 %, čím sa vyvážila pevnosť a nízka hmotnosť.

2. Plnenie modifikovanými plastmi: zníženie nákladov a zlepšenie výkonu

Modifikácia výplní využíva ako plnivá uhličitan vápenatý a mastenec s hlavným cieľom znížiť náklady a vyhnúť sa výraznému zníženiu výkonu. Medzi bežne používané spojovacie činidlá patria estery titánu a hliníka.

Poľnohospodárska fólia z PE plnená uhličitanom vápenatým:

Vzorec: PE živica + 20 % uhličitan vápenatý + 1,0 % titaničitan TMC-101, spojivo + 0,2 % antioxidant 1076;

Účinok: Miera zadržania pevnosti v ťahu filmu je vyššia ako 90%, priepustnosť svetla je vyššia ako 85%, náklady sú znížené o 15% a neovplyvňuje to potrebu svetla plodín.

Plášť domáceho spotrebiča z polypropylénu plnený mastencovým práškom:

Vzorec: PP živica + 25 % mastencového prášku + 0,8 % hlinitanového spojovacieho činidla DL-411-A + 0,3 % antioxidantu 168;

Účinok: Miera zmršťovania plášťa sa znížila z 1,5 % na 0,8 %, zlepšila sa rozmerová stabilita a zvýšila sa teplotná odolnosť zo 100 ℃ na 120 ℃, čo spĺňa požiadavky prostredia používania domácich spotrebičov.

3. Špeciálne modifikované plasty: multifunkčná synergia

Špeciálna úprava vyžaduje rovnováhu medzi spojovacou schopnosťou a inými funkciami (ako je spomaľovanie horenia a odolnosť voči poveternostným vplyvom) a medzi bežne používané špeciálne typy spojovacích činidiel patria:

Kryt elektronických súčiastok z PA plnený spomaľovačom horenia:

Vzorec: PA živica + 20 % červený fosfor + 1,5 % spojovacie činidlo fosforu + 0,5 % synergická látka spomaľujúca horenie;

Účinok: Index kyslíka sa zvýšil z 24 % na 32 %, čím sa dosiahla samozhášavosť UL94 V-0 s mierou zachovania pevnosti v ťahu viac ako 85 %, čo je vhodné pre požiadavky na protipožiarnu ochranu elektronických súčiastok.

Profily dverí a okien z PVC plnených odolných voči poveternostným vplyvom:

Vzorec: PVC živica + 30 % uhličitan vápenatý + 1,2 % titaničitanové spojovacie činidlo + 0,3 % stabilizátor svetla UV-531;

Účinok: Profil je možné používať vonku 5 rokov bez výrazného starnutia, s mierou zachovania rázovej húževnatosti viac ako 70 % a so znížením nákladov o 20 %.

4. Výzvy a vývojové trendy spojovacích činidiel v plastových aplikáciách

Hoci spojovacie činidlá poskytujú kľúčovú podporu pre modifikáciu plastov, súčasné aplikácie stále čelia výzvam, ako sú reakčné podmienky, kompatibilita a ochrana životného prostredia. V budúcnosti sa budú vyvíjať smerom k vysokej účinnosti, multifunkčnosti a ekológii:

1. Aktuálna výzva: Vyváženie výkonu a nákladov na aplikáciu

Prísne reakčné podmienky: Silánové kopulačné činidlá vyžadujú hydrolýznu reakciu, vysoké požiadavky na kontrolu vlhkosti a teploty, čo môže ľahko viesť ku zložitým modifikačným procesom;

Obmedzenia kompatibility: Jednotlivé väzbové činidlá majú úzky rozsah adaptability, ako napríklad silánové väzbové činidlá, ktoré majú slabý vplyv na nepolárne živice (PE, PP);

Tlak na dodržiavanie environmentálnych predpisov: Niektoré spojovacie činidlá na báze titánových esterov obsahujú ťažké kovy (ako je olovo a cín), ktoré nie sú v súlade s EÚ RoHS a inými environmentálnymi normami.

2. Trend vývoja: Technologické inovácie poháňajú modernizáciu

Multifunkčné spojovacie činidlo: Vyvinúť integrované produkty spojovacej zložky " + antioxidant + odolnosť voči poveternostným vplyvom", ako sú silánové spojovacie činidlá obsahujúce antioxidačné skupiny, zjednodušiť receptúry a prispôsobiť sa modifikácii plastov vyššej triedy;

Zelené spojovacie činidlo: Vývoj esterov kyseliny titánovej bez ťažkých kovov a biosilánových spojovacích činidiel (ako je napríklad silán rastlinného pôvodu), ktoré spĺňajú environmentálne požiadavky a sú vhodné pre plasty na obaly potravín a farmaceutických spoločností;

Nanospojovacie činidlo: Využitie nanospojovacích činidiel na zvýšenie špecifického povrchu, zvýšenie účinnosti interakcie s plnivami a živicami, zníženie pridávaného množstva (z 1 % na 0,5 %) a zníženie nákladov;

Reaktívne kopulačné činidlo: Vyvinúť kopulačné činidlá, ktoré je možné polymerizovať in situ so živicami, ako sú silánové kopulačné činidlá obsahujúce dvojité väzby, aby sa vytvorili silnejšie medzifázové väzby s kopolymerizáciou PE a PP, čím sa zlepší dlhodobá stabilita.

5. Súhrn: Spojovacie činidlo - výkonnostná väzba modifikácie plastov

Od automobilových komponentov vystužených sklenenými vláknami vystuženými PA, cez poľnohospodárske fólie plnené uhličitanom vápenatým PE, až po modifikované kryty elektronických komponentov s ochranou pred ohňom, spojovacie činidlá dosahujú rovnováhu medzi nízkonákladovými a vysokovýkonnými plastmi vytváraním anorganických organických rozhraniových mostíkov. Nie je to len základná prísada na riešenie problémov disperzie plniva a spájania rozhraní, ale priamo určuje aj hranice použitia modifikovaných plastov (ako sú automobily, elektronika, stavebné materiály). V budúcnosti, s prelommi vo výskume a vývoji multifunkčných a zelených spojovacích činidiel, bude priemysel modifikácie plastov ďalej podporovaný smerom k špičkovému a ekologickému vývoju, čím sa podporí vývoj vysokovýkonných plastových výrobkov.