摘 要 為增強(qiáng)硼酸酯的應(yīng)用性能，改善重質(zhì)碳酸鈣（GCC）與樹脂基材的融合性，使用硼酸、二乙醇胺和苯酚通過兩步反應(yīng)合成得到新型環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑。分別添加1%、1.5%和2%的表面改性劑對GCC進(jìn)行處理，測試改性前后GCC粉體的吸油值和微觀形貌。改性前后的GCC粉體以30%的比例填充聚丙烯（PP），制成GCC/PP復(fù)合材料，進(jìn)行力學(xué)性能、流變、熔融指數(shù)（MRF）和差示掃描量熱測試。結(jié)果表明：表面改性劑添加量為2%時，粉體分散性最好，與未改性碳酸鈣相比，吸油值降低了14.0 g/100 g；改性粉體在PP基體中的相容性明顯提升，復(fù)合材料的MRF降低至7.1 g/10 min，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度達(dá)到最佳，分別為33.76和53.91 MPa。
關(guān)鍵詞 重質(zhì)碳酸鈣；環(huán)狀硼酸苯酚酯；表面改性劑；力學(xué)性能；旋轉(zhuǎn)流變
Synthesis and performance study of cyclic boronic acid phenol ester surface modifier
Wang Bo, Nan Jingmin, Rao Feiqing, Li Mei, Wan Maosheng*
College of Materials and Chemical Engineering, Hezhou University, Hezhou, Guangxi 542899
Abstract To enhance the application performance of borate esters and improve the fusion between activated heavy calcium carbonate (GCC) and resin substrates, a novel cyclic boronic acid phenol ester surface modifier was synthesized through a two-step reaction of boric acid, diethanolamine, and phenol. Add 1%, 1.5%, and 2% surface Modifier respectively to modify GCC, and test the oil absorption value and microstructure of GCC powder before and after modification. Before and after modification, GCC powder was filled with polypropylene (PP) in a 30% ratio to prepare GCC/PP composite materials. Mechanical properties, rheological properties, melt index (MRF), and differential scanning calorimetry were tested. The results showed that when the amount of surface Modifier was 2%, the powder had the best dispersibility, and compared with unmodified calcium carbonate, the oil absorption value decreased by 10.1 g/100 g; The compatibility of the modified powder in the PP matrix was significantly improved, and the MRF of the composite material was reduced to 7.1 g/10 min. The tensile strength and bending strength reached their optimal values of 33.76 and 53.91 MPa, respectively.
Key words Heavy calcium carbonate; Cyclic boronic acid phenyl ester; Surface modifier; Mechanical properties; Rotational rheology
聚丙烯（PP）具有合成工藝簡單、質(zhì)量輕、耐腐蝕與耐熱等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1, 2]。純PP的沖擊性能差，低溫易開裂，使其在應(yīng)用方面受到很大限制。重質(zhì)碳酸鈣（GCC）作為常見增強(qiáng)材料，具有來源廣、價格便宜、成分穩(wěn)定、環(huán)保及白度高等優(yōu)點[3]，能夠改善復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性、剛性、熱穩(wěn)定性及低溫開裂等[4, 5]，被廣泛應(yīng)用于高分子材料領(lǐng)域[6, 7]。未改性GCC存在著團(tuán)聚嚴(yán)重，分散性、流動性較差等問題[8, 9]，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的物理性能[10, 11]，因此必須對其進(jìn)行表面改性[12, 13]，改善粉體與高分子聚合物的相容性，使其起到較好的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用[14]，增加填充量，降低生產(chǎn)成本[15]。
硼酸酯類表面改性劑分子可設(shè)計性強(qiáng)[16–18]，擁有其他傳統(tǒng)表面活性劑沒有的優(yōu)異特性，如色澤淺、抗磨潤滑、抗靜電、抗菌[19]等。但傳統(tǒng)短鏈硼酸酯分子內(nèi)部電子分布不均勻，易被攻擊或斷鍵，導(dǎo)致硼酸酯的應(yīng)用受到限制。
本實驗通過引入苯環(huán)和三嗪環(huán)，與中心硼原子形成較大共軛體系[20]，使電子云密度趨于一致，降低硼原子的親電子性。通過形成環(huán)狀大位阻結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增加硼原子的空間位阻[21]，合成得到一種結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的新型環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑。使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的新型硼酸酯改性劑對GCC粉體進(jìn)行干法表面改性處理，填充到PP中，制備GCC/PP復(fù)合材料。研究改性前后GCC粉體的吸油值及填充復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、流動性和外觀形態(tài)，為研究開發(fā)高性能GCC/PP復(fù)合材料提供理論和實踐依據(jù)。
1 實驗部分
1.1 原料、試劑及儀器設(shè)備 苯酚、硼酸、二乙醇胺，均為分析純，上海麥克林生化科技股份有限公司；重質(zhì)碳酸鈣（GCC）800目，廣西賀州文勤粉體有限責(zé)任公司；聚丙烯（PP），工業(yè)級，中國石油化工有限公司茂名分公司。SHR-10A型高速混合機(jī)、XM-160型密煉機(jī)，張家港市通沙塑料機(jī)械有限公司；微型注塑機(jī)，SZS-20，武漢市瑞鳴塑料有限公司；傅里葉紅外光譜儀，PE Frontier FTIR，珀金埃爾默公司；掃描電子顯微鏡，JSM-7610，日本電子株式會社；X射線衍射儀，Ultima I，日本理學(xué)株式會社；萬能材料試驗機(jī)，336730KN，美國英斯特朗公司；熔體流動速率儀，MFI-1211，承德市金建檢測儀器有限公司；差示掃描量熱儀，DSC25，美國TA instruments；旋轉(zhuǎn)流變儀，HAAKE，賽默飛世爾科技；500 M核磁共振波譜儀，Avance Ⅲ HD，瑞士Bruker公司。
1.2 環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑的合成 準(zhǔn)確稱取0.25 mol二乙醇胺（29.11 g）、0.25 mol硼酸（15.46 g）加入三口燒瓶中，50 mL甲苯做溶劑，通入氮氣保護(hù)，回流分水2h。而后準(zhǔn)確稱取0.375 mol苯酚（35.29 g），加入反應(yīng)混合物中，回流分水8h。冷卻反應(yīng)混合物至室溫，減壓去除甲苯，殘余物加入乙酸乙酯進(jìn)行重結(jié)晶，得到環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑4，白色蠟狀物，收率81.6%。
圖1 環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑的合成路線
1.3 GCC粉體表面改性 采用干法工藝對GCC粉體進(jìn)行表面改性。環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑與乙醇1:1溶解備用。稱量500 g GCC粉體，置于高速混合機(jī)中，設(shè)置物料溫度為110℃，加熱溫度為115℃。物料溫度上升至100℃，揭蓋除水，分三次滴加改性劑溶液，先低速改性10 min，再高速改性10 min。冷卻至室溫，取出改性GCC粉體密封備用。改性劑的添加量分別為0%、1%、1.5%、2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），按上述方法對GCC粉體進(jìn)行表面改性，改性粉體分別標(biāo)記為A、B、C、D。
1.4 GCC/PP復(fù)合材料的制備 將改性后的GCC粉體分別按照30%的比例填充PP，通過密煉、注塑制備成GCC/PP 復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)試樣，標(biāo)記為PP/A、PP/B、PP/C和PP/D。
1.5 測試與表征
1.5.1 核磁共振氫譜分析：采用瑞士Bruker公司的Avance III HD型核磁共振波譜儀，以氘代DMSO為溶劑，四甲基硅烷為內(nèi)標(biāo)。
1.5.2 紅外光譜（FTIR）分析：將目標(biāo)化合物與KBr研磨、壓片制成樣品進(jìn)行測試。
1.5.3 X射線衍射分析（XRD）：使用X射線衍射儀對A、B、C、D粉體樣品進(jìn)行測試，掃描速率為5°/min，掃面測試范圍為5~50°。
1.5.4 微觀形貌測試：對A、B、C、D粉體樣品和PP/A、PP/B、PP/C、PP/D沖擊樣條斷面進(jìn)行噴金處理，采用掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌。
1.5.5 吸油值：稱取A、B、C、D粉體5.0 g，按參考文獻(xiàn)[22]測試吸油值。
1.5.6 力學(xué)性能：按照GB/T 1040.1-2006《塑料拉伸性能的測定》和GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》方法，采用萬能實驗機(jī)測試樣條的拉伸強(qiáng)度和彎曲應(yīng)力。每組樣品測試5次，記錄平均值。
1.5.7 差示掃描量熱分析：按照GB/T 19466.1-2004《塑料差示掃描量熱法（DSC）第1部分：通則》方法測試PP/A、PP/B、PP/C、PP/D樣品的DSC曲線。
1.5.8 熔體流動速率：按照GB/T 2546.2-2022《塑料聚丙烯（PP）模塑和擠出材料第2部分：試樣制備和性能測定》方法，在230℃，載荷為2.16 kg條件下，采用MFI-1211熔體流動速率儀進(jìn)行測試。
1.5.9 旋轉(zhuǎn)流變儀分析：使用厚度為1 mm、直徑為30 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓形模具將樣品熱壓成型，進(jìn)行流變性能測試，溫度設(shè)定為190°C，測試角頻率設(shè)定為0.1~100 rad/s。
2 結(jié)果與討論
2.1 核磁共振氫譜分析 環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)如下：1H NMR (500 MHz, DMSO-d6) δ 7.16 (t, J = 7.7 Hz, 2H), 6.79 (d, J = 8.0 Hz, 3H), 5.87 (s, 1H, NH), 3.55 (d, J = 28.9 Hz, 4H), 2.75-2.66 (m, 4H).
2.2 FTIR表征 環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑的FTIR數(shù)據(jù)如下：1458-1591 cm-1為苯環(huán)的骨架振動吸收峰，3414 cm-1 為NH振動吸收峰，2850-2960 cm-1亞甲基的振動吸收峰， 1635 cm-1為C-O振動吸收峰，1360-1405 cm-1為B-O振動吸收峰，1073 cm-1為C-O-B振動吸收峰。以上結(jié)果表明，苯酚、二乙醇胺與硼酸成功反應(yīng)生成環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑。
2.3 XRD分析 改性前后GCC粉體的XRD測試結(jié)果，見圖2。GCC粉體改性前后的特征衍射峰型基本保持一致，均在23.20°、29.50°、36.00°、39.50°、43.30°、47.60°、48.60°處，對應(yīng)的衍射面分別為（012）、（104）、（110）、（113）、（202）、（018）和（116）晶面，為方解石型特征衍射峰位置，改性前后的位置與峰型無明顯差別，說明環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑沒有改變GCC的晶型。
圖2 改性前后GCC粉體XRD圖
2.4 改性GGC粉體SEM分析 改性前后GCC粉體微觀形貌，見圖3。從圖3中可以看出，未改性GCC粉體邊緣鋒利，棱角突出，呈現(xiàn)出層狀堆積團(tuán)聚現(xiàn)象。改性后的GCC粉體棱角較為圓滑，粒子分布均勻且結(jié)構(gòu)疏松，分散性提高。GCC粉體的分散程度隨著改性劑添加量的增加而逐漸提升。
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（a） |
（b） |
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（c） |
（d） |
a-A粉體；b-B粉體；c-C粉體；d-D粉體
圖3 改性前后GCC粉體的微觀形貌圖
2.5 吸油值測試 改性前后GCC粉體的吸油值見表1。經(jīng)環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑處理后的GCC粉體的吸油值大幅度降低。改性劑添加量為2%時吸油值為18.6 g/100 g，相對于未改性的GCC粉體的吸油值下降了14.0 g/100 g，改性效果顯著。
表1 改性前后GCC粉體的吸油值
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編號 |
添加量（%） |
吸油值（g/100 g） |
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A |
0 |
32.6 |
|
B |
1.0 |
21.5 |
|
C |
1.5 |
19.9 |
|
D |
2.0 |
18.6 |
2.6 力學(xué)性能測試 采用標(biāo)準(zhǔn)方法對GCC/PP復(fù)合材料樣品進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度測試，結(jié)果見表2。由表2可知，環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑改性復(fù)合材料的力學(xué)性能均優(yōu)于未改性GCC復(fù)合材料。未改性GCC復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為27.73 MPa，彎曲強(qiáng)度為46.47 MPa。改性GC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有所提升，其中添加量為2%的改性GCC/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別為33.76 MPa和53.91 MPa，與未改性GCC/PP復(fù)合材料相比，分別提升了6.03 MPa和7.44 MPa。
表2 GCC/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能
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編號 |
拉伸強(qiáng)度/MPa |
彎曲強(qiáng)度/MPa |
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PP/A |
27.73 |
46.47 |
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PP/B |
27.92 |
47.86 |
|
PP/C |
31.70 |
51.42 |
|
PP/D |
33.76 |
53.91 |
2.7 DSC分析 改性前后GCC/PP復(fù)合材料的DSC曲線，見圖4。由圖6a結(jié)晶曲線可知，隨著環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑添加量的增加，GCC復(fù)合材料的結(jié)晶溫度先升高后下降，峰面積先增大后減小。當(dāng)改性劑添加量為1%時，GCC粉體充當(dāng)晶核，異相成核作用使得復(fù)合材料結(jié)晶能力增強(qiáng)。但隨著添加量的增加，GCC粉體在PP基體中的分散性、相容性提高，其限制PP分子鏈的鏈段運動從而降低結(jié)晶度。由圖6b熔融曲線可知，改性劑的加入使復(fù)合材料的熔融溫度增加，并隨著添加量的增加，復(fù)合材料的峰面積變小，結(jié)晶度下降，與之前力學(xué)性能和XRD圖測試結(jié)果吻合。
（a）
（b）
a-結(jié)晶曲線；b-熔融曲線
圖4 改性前后GCC/PP復(fù)合材料的DSC曲線
2.8 熔融指數(shù)測試 改性前后GCC/PP復(fù)合材料的熔融指數(shù)測試結(jié)果見表3。由表3可知，隨著改性劑添加量的增加，復(fù)合材料的熔融指數(shù)迅速降低，流動性下降，這是由于隨著添加量的增加，GCC粉體的分散性提升，與PP相容性增加，改性GCC顆粒阻礙分子鏈運動，增大了復(fù)合材料的黏度，從而降低其流動性。
表3 GCC/PP復(fù)合材料的熔融指數(shù)
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編號 |
添加量（%） |
MFR（g/10 min） |
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PP/A |
0 |
17.9 |
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PP/B |
1.0 |
10.7 |
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PP/C |
1.5 |
7.7 |
|
PP/D |
2.0 |
7.1 |
2.9 旋轉(zhuǎn)流變性能 改性前后GCC/PP復(fù)合材料的儲能模量、損耗模量與角頻率的關(guān)系曲線，見圖5a、5b。由圖可知，同一添加量的改性復(fù)合材料的儲能模量（G′）和損耗模量（G″）都隨著外力角頻率的增大而呈現(xiàn)升高趨勢，未改性復(fù)合材料的G′和G″都低于改性復(fù)合材料。改性劑添加量為2%時，復(fù)合材料的G′和G″為最大。在低頻區(qū)復(fù)合材料的G″遠(yuǎn)大于G′，這是因為在較長時間剪切力的作用下復(fù)合材料分子鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致大量分子鏈松弛發(fā)生黏性流動，復(fù)合材料粘性形變大于彈性形變，以粘性為主。隨著角頻率的增大，G′與G″逐漸接近，復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)上呈一定剛性。在同一角頻率時，隨著改性劑添加量的逐漸增加，復(fù)合材料的儲存模量和損耗模量均持續(xù)上升。這是因為隨著添加量的增加，GCC粉體的分散性逐漸提升，其與PP的相容性提升，結(jié)晶度下降，阻礙分子鏈運動，相互作用力變大，使復(fù)合材料的黏性增加，流動性和加工性能變好。從圖5c中可以看出，復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度隨著角頻率的增加而逐漸降低，并在同一角頻率下，復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度隨著改性劑添加量的增加而上升。說明隨著添加量的增加，GCC粉體與PP相容性增加，共混物流動性變差，復(fù)數(shù)粘度增大，適量的改性劑有利于復(fù)合材料的加工。
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（a）
（b） |
（c）
a-GCC/PP復(fù)合材料的儲能模量與角頻率的關(guān)系曲線；b-GCC/PP復(fù)合材料的損耗模量與角頻率的關(guān)系曲線；c-GCC/PP復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度與角頻率的關(guān)系曲線
圖5 旋轉(zhuǎn)流變性能分析圖
2.10 GCC/PP復(fù)合材料SEM分析 改性前后GCC/PP復(fù)合材料沖擊斷口微觀形貌，見圖6。由圖6可以看出，由于未改性復(fù)合材料斷口較為粗糙，斷面有較大團(tuán)聚GCC顆粒，說明粉體在PP中分散不均勻，相容性較差。b圖有較小GCC顆粒出現(xiàn)，可能因為改性劑添加量不足，粉體改性不充分，與PP結(jié)合度較低。c圖和d圖中復(fù)合材料斷口較為光滑，雖然仍能見到顆粒，但尺寸更小，說明改性劑的加入有效改善了GCC粉體在PP中的分散性，與PP的相容性得到提升，添加量為2%時效果達(dá)到最佳。
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（a） |
（b） |
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（c） |
（d） |
a-PP/A；b-PP/B；c-PP/C；d-PP/D
圖6 GCC/PP復(fù)合材料斷面SEM圖
3 結(jié)論
（1）合成得到一種新型環(huán)狀硼酸苯酚酯表面改性劑，并以不同添加量，通過干法改性對GCC粉體進(jìn)行表面處理。隨著表面活性劑添加量的增加，GCC粉體的吸油值逐漸降低，添加量為2%，改性GCC粉體的吸油值為18.6 g/100 g。
（2）改性前后的GCC粉體以30%的填充量添加到PP中制備GCC/PP復(fù)合材料。改性劑添加量為2%時，粉體在PP中的分散性和相容性效果最好，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別達(dá)到33.76 MPa和53.91 MPa。
（3）隨著改性劑添加量的增加，GCC/PP復(fù)合材料的結(jié)晶溫度逐漸降低，復(fù)數(shù)粘度增大，有利于復(fù)合材料的加工成型。
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