爐石填充聚丙烯塑膠材料性質的研究

(1)

Bull. Nat'\ Taiwan No

r.

Univ.

Vo\ 40

pp.401-418 1995

師大學報第 40 期第 401-418頁民國 84~

爐石填充聚內婦塑膠材料性質的研究

王王堇煒、許貫中

國立臺灣師範大學化學系

摘要

為能提昇煉鋼廠水浮爐石(

slag

)的實用價值，本研究進行墟石做為聚丙婦塑膠添加劑的評估。實驗結汞顯示墟石的添加，將提升材料的彎曲強度、耐街擊強度和拉力、彎曲棋數。墟石的補強效果，介於滑石粉與碳酸鈣粉之間。粒徑小者(約 10μm )具有較佳機械性質，較適當的墟石添

加量為 30

--

40wt% 。另外，從電子顯微鏡的觀察得知墟石粉與基材的界面

接著不佳，但可經偶合劑如 LZ44 的處理來改善，同時改善後之材料在耐衝擊強度方面有顯著的增加。關鍵詞:爐石、聚丙懦、填完劑、材料性質

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士 ~ι~ 笠、別吾塑膠材料由於具有成本低廉、加工容易以及具有各種特性等優點，因此被廣泛的使用於民生、工業或國防科技等方面。塑膠的原料主要來自石油，在經過兩坎石油能源危機之俊，其成本日益提高，於是在塑膠中常會加入低廉的填充劑以降低成本。在塑膠中加入的填充劑多為無機物或礦物，從形狀上可區分為織維或顆粒兩大類 O 除了成本上的考量之外，纖維填充劑如玻璃纖維或碳纖維的添加，通常可增加材料的機械性質和韌性;顆粒填充劑如滑石粉、碳酸鈣或雲母粉的添加，則可增加材料的硬度、剛性和成形性 [1，2] 。除了前述之填充劑以外，為了解決環境污染問題，目前有一趨勢將日常使用後之廢棄物如舊報紙、廢輪胎，或工廠廢棄物如煉鋁廠產生之紅泥、火力發電廠產生之飛灰，經過適當的加工處理後，做為塑膠之填充劑，而獲得不錯的效果 [3人5] 。本研究的目的在於探討爐石填充聚丙埔塑膠的材料性質。爐石係為煉鋼廠在鋼

鐵冶煉過程中產生的一種非結晶性、玻璃質含量高的廢料，其成份主要為 Si0

₂

-Al

₂

0

₃

-CaO 錯化物，以國內中鋼公司而言，年產量在 150 萬噸以上 [6] 。現今用途在於道路的路盤材料、混凝士決級配料、水泥添加料或經由其他加工製成的陶瓷和玻璃器血，當存量過多時，甚至用來拋海填地，附加價值不大 [7] 0 為了疏解爐石大量堆積的窘境，並且提昇其實用價值，本研究擬探討爐石做為塑膠填充劑的可行性 O 實驗中選擇成型容易的泛用塑膠一聚丙矯當作基材，探討爐石添加後的效果。通常，塑膠成型品的性質與填充劑的種類、特性、濃度，基材.填充劑界面性質和成型條件有關[旬，本文將在一定的成型條件和加工方式情況下，探討爐石含量、粒徑分布及酌以偶合劑表面處理對爐石塑膠的機械性質的影響，並由掃描式電子顯微鏡 (SEM) 觀察試片經過彎曲後斷面的晶相，以了解填充劑和基材界面問之作用情形。同

(3)

爐石填充聚丙埔塑膠材料性質的研究王瑾輝、訐貫中

403

時並與商業化的碳酸鈣和滑石粉對聚丙峙的強化效果作比較。

貳、實驗方法

一、實驗材料與試體製作

實驗材料包括聚丙懦樹脂、爐石粉、碳酸鈣粉和滑石粉。聚丙矯樹脂為褔聚公司出品之 6331 級射出成型用的粒狀樹脂;爐石粉來自中鋼公司的高爐水碎爐石，經研磨、分類成四種不同粒徑的粉末，其粒徑分布與平均粒徑如表 1 所示;碳酸鈣粉和滑石粉皆為工業級粉末，其粒徑規格亦列於表 1 。另外，爐石粉亦有經 LZ44 (一種錯鋁系偶合劑)表面處理以改善其與塑膠基材之界面作用。處理的方式為:將 500 克爐石粉加入含 5 克的異丙醇溶液，攪拌均勻後靜置過夜，然後在 900_{C烘箱中乾燥得之。} 將欲混練的粉末和聚丙矯塑膠粒置於 900_{C 烘箱中乾燥稱取所需比例，然後在 190} OC 的雙滾輪機中混練 15 分鐘，取出混合好的熔融材料，預壓成所需厚度的薄板;再置

於 220

0

C 熱壓成型機中預熱 10 分鐘，然後加壓至 150kgjcm

2_並且持續

_{15 分鐘後，取出}

模具置於冰浴中冷卻;最後，將冰浴後的模具拆除，取出薄板狀的塑膠，再以切割機裁成欲測試的形狀，再拋光研磨而得試片 o 試片成分及代號如表 2 所示:其中 S 代表爐石填充塑膠， Sl 為平均粒度最大的爐石填充劑， S4 則為最小的爐石填充劑: TX 代表滑石粉填充塑膠， CX 代表碳酸鈣填充塑膠。

二、試體測試

付拉力測試: 根據 ASTM 0638 將試片製成啞鈴形，以萬能測試機(

Instron TM-SM

)在夾

(4)

具移動速度 10 mm/min 下進行拉力測試，每組數據為五根試片數據的干均值。 Q 彎曲測試:

根據 ASTM D790 將試片製成 lOx1.3xO.3cm 長條形，以萬能測試機(

Instron

TM-SM

)在夾具移動速度1.8 mm/min 下進行彎曲測試，每組數據為五根試片數據的平

均值。日耐衝擊測試:

根據 AS刊1: D265 將試片製成 6x 1.3xO.6cm 長條形而且帶有 2 mm 深的缺口

( notch)

，以耐衝擊試驗機(

Toyo Seikei Seisakisho

Iz

od Impact Tester

)進行耐衝擊試驗，每組數據為五根試片數據的平均值。

個微觀組織的觀察:

利用美國 Etec 公司所製造之 Auto Scan 掃描式電子顯微鏡 (SEM) 觀察試片經過彎曲?是斷面的情形。

鑫、結果與討論

一、爐石含量和顆粒大小的影響

圖 1"'--'3 分別為不同粒徑的爐石含量與材料拉力強度、拉力模數與伸長率的關係園。圖 1 顯示在任何 4 種粒徑下，拉力強度均隨爐石含量增加的變化情形:在含量 0"'--'

10%

(重量百分比)峙，拉力強度隨爐石含量增加而明顯下降;在含量 10

"'--'

40% 時，拉力強度下降幅度趨緩;當含量超過的%'拉力強度再度隨爐石含量增加而明顯下降。前段強度的下降，主要是因爐石/基材間的作用不佳所造成，此可由後面以 SEM 觀察材料品相得知;後段強度的下降，則因爐石含量過高導致分散不佳。另外，材料中以 S2 與泊的拉力強度較佳， Sl 所含的爐石顆粒較大，粒子與基材接觸面積相對較少

(5)

爐石填充聚丙懦塑膠材料性質的研究王瑾輝、訐貫中 405 '相反的 S4 所含的爐石顆粒太小，粒子容易凝集而分散不均，因此強度較差阱， 10] 。由於爐石本身的剛性比基材大很多，所以拉力模數隨爐石含量增加而增加(見圖

2

)。一般而言，粒徑愈小模數值愈大，故鈞、 S4 呈現較高的拉力模數 [1] 。當爐石含量超過 40% '各材料之拉力模數均下降。圖 3 顯示當爐石的含量增加，由於基材含量相對的減少，故伸長率下降。尤其在爐石含量 20% 以下時，伸長率下降趨勢甚為明顯。圓 4----5 分別為不同粒徑的爐石含量與彎曲強度與彎曲模數的關係園。在彎曲測試時，材料一部分受到拉伸，另一部分則受到壓縮 O 拉伸部分的強度如同拉力強度的部分，隨爐石含量增加而下降，壓縮部分則傾向裂縫的封閉，故隨剛性填充劑的增加壓縮強度增加 [1 月。綜合拉伸和壓縮的效應，圖 4 顯示隨著爐石含量增加，材料中除了 S1 以外，餘者之彎曲強度皆隨之緩慢上升，等至 30% 後便輕微下降。爐石粒徑愈小所形成材料的彎曲強度愈大。大體上，填充劑的含量增加或其粒徑減小皆會使材料拉伸和壓縮模數增加，故圖 5 顯示材料的彎曲模數隨爐石添加量增加而增加。圖 6 為不同粒徑的爐石含量與材料耐衝擊強度的關係圖。當爐石含量在 10

---- 20%

峙，材料之衝擊強度不如純聚丙鳩塑膠;至 30

----

50% 時，材料的耐衝擊強度則優於純聚丙矯塑膠，亦即有補強效果，而粒徑的影響並不明顯。綜合上述得之:爐石含量增加，會使得材料的彎曲強度、耐衝擊強度和拉力、彎曲模數上升，惟爐石含量達 40% 後，因分散不佳致使材料的彎曲強度和拉力模數有下降趨勢。就粒徑大小的影響而言，粒徑小者所形成的材料(鈞、 S4 )具有較佳機械性質。

二、填充劑種類與其含量對機械性質的影響

圖 7----8 分別顯示不同填充劑其含量與材料拉力強度和拉力模數的關係圓。圍中之爐石材料為泣，因其和滑石粉、碳酸鈣粉所合之爐石粒徑大小與分佈較接近(見表 1

(6)

)。填充劑含量在 0'" 40% 時， TX 的拉力強度與拉力模數均為最佳， CX~IJ 與 S2 相近。圖 9'" 10 分別顯示填充劑含量對材料彎曲強度和彎曲模數的影響 o 當填充劑含量相同時，則以滑石粉填充者的模數值最高，爐石粉填充者'IA之，碳酸鈣粉填充者最低。此係因滑石粉屬片狀結構，長寬比(

As

pect Ratio

)較大故與基材的界面作用性較好的緣故，所以材料之拉力或彎曲特性較佳 [1] ;爐石粉與碳酸鈣粉均為粒狀結構，與基材的界面作用性相近，但爐石粉因具有較強的剛性，故形成的材料之彎曲性質優於碳酸鈣粉填充者 O 圓 11 為不同填充劑其含量與材料耐衝擊強度的關係圖。填充劑含量在 0~30% 時

,

TX 的耐衝擊強度最高， CX 汝之，也為最差。但是填充劑含量在 40% 以上峙，

S2

的耐衝擊強度則高過前兩者。

三、材料微觀組織的觀察

為了明瞭填充劑與基材間界面之作用情形，乃將各材料試片在經過彎曲測試後斷面進行 SEM 觀察。圖 12'"'-' 14 分別為各填充劑 30% 添加量下之材料的 SEM 圖。從圖 12 和 13 得知爐石粉和碳酸鈣粉均屬粒狀結構，粒子在基材中分散還算均勻，但有部份與基材間有剝離的現象，顯示在界面的接著不理想;相對的滑石粉本身為長條形，長寬比大，在材料彎曲破裂的斷面上沒有剝離的現象，與基材的界面接著良好，故其機械性質最好(見圖 14 )。由於爐石粉與基材的界面按著不佳，致使形成材料之機械性質，尤其是耐衝擊強度的補強效果不理想，因此研究中有將爐石粉先經偶合劑表面處理後在與基材混練。圖 15 經 LZ44 偶合劑表面處理後之 S33 材料的 SEM 園。比起圖 12 '圓的中顯示爐石粉與基材之界面接著情形較良好，剝離現象也較輕微，足見偶合劑的效果，而此材料的耐衝擊強度約為未經處理者的1.2 倍。

(7)

爐石填充聚丙埔塑膠材料性質的研究王瑾輝、訐貫中

407 肆、結論

煉鋼廠水 j卒爐石應可做為聚丙埔塑膠的填充劑。爐石的添加，將提升材料的彎曲強度、耐衝擊強度和拉力、彎曲模數。爐石的補強效果，介於滑石粉與碳酸鈣粉之間 O 粒徑小者所形成的材料(鈞、 S4 )具有較佳機械性質，較適當的爐石含量為 30~

40%

0 爐石粉與基村的界面接著不佳，但可經稿合劑如 LZ44 的處理來改善，同時改善後之材料在耐衝擊強度方面有顯著的增加。

致謝

感謝褔聚公司提供聚丙矯膠粒;亦感謝中鋼公司資助部份研究經費。

(8)

參考文獻

1.

Gacht凹，

R. and H. Mulle

r.

1984. Plastics Additives Handbook

,

Hanser Publishers

,

Munich.

2. Morales

,

E. and J.

R. White

, 1.

Mater.

Sci，刃，

(1988)

,

4525.

3. Ren

,

S. and D. N. S. Hon

, 1.

Reinforced

Pl，ωtics

Composite

,

12 ,

(1993)

,

131

1. 4. P.

L.

C. Hao

,

H. S. Tang and W. W. Hsu. 1977. US Patent 4161465.

5. 台電研究報告，

1982

'飛灰做為墊料塑膠填充劑的研究。

6. 楊明恭，

1984

'中鋼公司高爐熟料之生產及品質狀況簡介，中鋼公司技街報告。

7. 蔡馬陵，吳泰雯，

1982

'高爐石在水泥上的應用，三富混混士應用技術示範暨高爐

水泥應用研討會。

8.Nielsen

, L.

E. 1974. Mechanical

Prop側的 of

Polymers and Composites

,

2 ,

Marcel

Dekker

,

Inc.

,

New York.

9. McKee

,

A.

W. ,

SPE

1.,

18; (1962)

,

186. IO.Prestridgs

,

E. B.,

J. Appl. Polym. S

ci.,

7 ,

(1

963)

,

27.

(9)

爐;而填充聚[ÀJ 懦塑膠材料性質的研究玉瑾輝、訐頁 ~~J

409 Table 1. Characteristics of fillers

Filler

Partic1e Size

門ean

Parti c1 e

Shape

Range.

(μm)

Si ze.

(μm)

# 1 Sl ag

20~40

33.8 rounded

# 2 Sl ag

10~30

17 .1

rounded

# 3 Sl ag

4~11

_5.9

_rounded

# 4 Sl ag

<5

3.8 rounded

Ta1c

< 30

14.1 f1 aky

CaC0

3

<30

12.1 rounded

Table

2. Tes1 specimens of composi1es

Code

Composite

Sl

# 1 Sl ag/PP

S2

# 2 Sl ag/PP

S3

# 3 Sl ag/PP

S4

#4 Slag/PP

TX

Talc/PP

CX

CaC0

3

/PP

(10)

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(13)

413

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Filler Content

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TX:Talc/PP

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CX:CaC0

3 /PP

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(16)

Figure 13. SEM microgragh of CaC0

3

/pp composite

(17)

爐石填充聚兩埔塑膠材料性質的研究王瑾輝、許貫中

417

(18)

Material Properties of Slag-Filled Polypropylene

G.H.Wang

,

K.C.Hsu

Department of Chemistry

,

National Taiwan Normal University

,

Abstract

As

an effort to promote the added value of slag

,

which is an industrial waste from

the ironmaking process

,

a feasibility study for using slag as a filler in polypropylene was

conducted. Experimental results revealed that addition of slag

∞uld

improve the

flexu-ral strength

,

impact strength

,

tensile modulus and flexural modulus of polypropylene.

Th

e reinforcing effect is between that of talc and that of calcium carbonate. Material

with slag particles of around

10μm

exhibits better mechanical properties.

Th

e proper

amount of slag added in polypropylene

is

about 30 '"

4伽t%.

Furthermore

,

the interfa

.