聚乙烯复合材料的制备与性能

聚乙烯复合材料的制备与性能

郭立志

身份证号码：220112198412041019

摘要：近年来，聚乙烯复合材料的研究及应用受到越来越多的关注。聚乳酸(PLA)是典型的生物基、生物可降解高分子，具有优良的可加工性、较高的力学强度和模量、较好的生物相容性，但是，由于PLA的分子结构对称性较差，其结晶速率较慢、结晶度较低，材料的耐热性较差、冲击强度和断裂伸长率较低等特点，限制了其在高温条件下的应用。近年来，国内外研究人员在PLA的增韧和耐热改性领域中进行了大量研究，主要为韧性塑料改性、弹性体改性、纳米粒子改性和立构复合等方面，取得了丰富的成果。聚乙烯(PE)是一种典型的柔而韧的聚合物，价格较低，并且，物理、化学性能稳定，在增韧改性PLA方面得到了重点关注，但是，仍局限于少量的添加，或是作为多组分中的一种进行改性，对PLA/PE复合体系还缺少系统的研究。

关键词：聚乙烯；复合材料；制备性能

引言

随着功能性高分子材料的迅速发展，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）以及高密度聚乙烯（HDPE）等塑料的生产工艺不断提高。其中，HDPE由于具有优越的化学稳定性、耐磨性、电绝缘性能及优异的机械强度等特殊性能，被广泛应用于商品包装、建筑建材、医用塑料以及农业薄膜等领域。但随着应用领域的增加，局限性也随之显现，HDPE在实际应用中具有脆性强、降解性及耐候性差等缺陷。有研究发现，利用价格低廉且性能优异的无机填料对HDPE进行填充改性可弥足这些不足。

1实验部分

1.1材料、试剂与仪器

5502LW型高密度聚乙烯（HDPE），工业品；硫酸钙晶须（CSW，长度30~90μm，直径2~3μm，有效质量分数为99%），工业品，硅烷偶联剂（KH570，AR）；无水乙醇（AR）。AK36型双螺杆挤出机；YCT132-B型注塑机；TG209F3型热失重分析仪（TG）、DSC214型差示扫描量热仪（DSC）；3365B1979型高分子材料拉伸机；FEIQuanta250型场发射扫描电子显微镜（SEM）；SmartLabSE型X射线衍射仪（XRD）。

1.2 HDPE/CSW复合材料的制备

通过熔融共混的方式制备KH570改性HDPE/CSW复合材料。将1.2kgCSW和2.8kgHDPE于90℃分别干燥4h，然后将40g硅烷偶联剂KH570与无水乙醇按照质量比1∶100的比例配制混合溶液A，再将干燥处理的1.2kg无水CSW放入混合溶液A并充分搅拌，使KH570能充分吸附CSW表面，随后放入鼓风干燥机中在100℃下干燥4h，制得改性CSW，备用。称取改性CSW和HDPE总量为800g，按HDPE和CSW的质量比为9∶1（CSW质量分数10%）、8∶2（CSW质量分数20%）、7∶3（CSW质量分数30%）、6∶4（CSW质量分数40%）、5∶5（CSW质量分数50%）配制5份HDPE和改性CSW的混合样品，进行充分搅拌，之后将5份混合体系置于双螺杆挤出机挤出造粒，制备出5组不同含量改性CSW的HDPE/CSW复合材料，取编号为HDPE/CSW-x%，x%为CSW的质量分数，即10%、20%、30%、40%、50%。实验过程中双螺杆挤出机一至八分区温度分别设置为165、170、180、190、190、190、195、200℃，机头温度为205℃，转速为320r/min。

1.3结构表征与性能测试

SEM测试：将不同改性CSW含量的HDPE/CSW复合材料制备的标准样条进行2mm冲击切口后置于液氮中30min深冷，随后进行冲击脆断，将复合材料的断面和HDPE、CSW喷金处理后，采用扫描电子显微镜进行SEM测试。

XRD分析：称取相同质量的HDPE、CSW以及不同改性CSW含量的HDPE/CSW复合材料粉末放入石英模具内，利用X射线射衍仪在2θ=5°~110°范围内进行测试，仪器使用CuKα射线，Ni滤波，工作电压为40kV，工作电流为40mA，使用LynxEye192位阵列探测器。

力学性能分析：将样条90℃干燥处理后，采用高分子材料拉伸机对不同改性CSW含量的HDPE/CSW复合材料的力学性能进行测试。拉伸性能根据GB/T1040.2—2006，以100mm/min的拉伸速度进行拉伸强度检测。

2结果与讨论

2.1不同材料对吸水尺寸变化率的影响

复合材料吸水后的尺寸稳定性可以采用其吸水后厚度等尺寸变化率进行表征。不同试样吸水后，宽热后2个面尺寸变化率的差值较大，其中，纯LDPE的正反面尺寸变化率差值最大，其值为0.06%，塑料与木粉复合后，2个面尺寸变化率差值与相应的纯塑料相比均有小幅降低，特别是HDPE基WPC及HDPE和LDPE混合基体的WPC的尺寸变化率的差值较小，这表明，温度对HDPE塑料及其WPC产品正反面尺寸变化影响较小，而对LDPE及其WPC产品的影响较大。因此，在较高的温度环境中，采用HDPE基WPC产品。与吸水率实验结果相似，从宽度方向或厚度方向而言，与纯HDPE和LDPE相比，WPC的吸水尺寸变化率均较高，其中，HDPE和LDPE混合基体的WPC的尺寸变化最显著，宽度和厚度尺寸变化率分别为0.11%、1.08%。另外，同一种材料在厚度方向的尺寸变化率均远高于其在宽度方向的尺寸变化率，这是由于，采用注塑工艺制备试样，熔料进入模具型腔后，其宽度方向受到压力作用而被高度约束并定型，厚度方向虽然也受到了压力的约束，但是，当上、下2半模具拆开时，厚度方向上的压力约束力下降，材料内部厚度方向的密实性降低，导致其吸水后尺寸更加不稳定。

2.2不同材料对冲击强度的影响

与HDPE相比，LDPE的抗冲击强度较高，韧性较好。但是，HDPE基WPC复合材料冲击强度的变化较小，仅提高了5.91%;LDPE基WPC的抗冲击强度与纯LDPE相比大幅降低，与HDPE基WPC相比提高了12.76%。HDPE及LDPE混合基体WPC均具有较低的冲击强度，与HDPE基WPC和LDPE基WPC相比，分别降低了26.44%和34.76%。结合弯曲强度的实验结果可知，当聚乙烯与木粉复合形成WPC后，HDPE复合材料的抵抗弯曲破坏能力和冲击破坏能力均得到显著改善;LDPE的抵抗弯曲破坏能力得到改善，但是，其抵抗冲击破坏能力大幅下降。

2.3PE含量对PLA/PE复合材料耐热性的影响

PE的维卡软化点温度为87.8℃，与PLA的维卡软化点温度59.1℃相比，提高了48.6%。随着PE含量的增加，PLA/PE复合材料的维卡软化点温度逐渐增大，当PE含量小于30%时，PLA/PE复合材料的维卡软化点温度约为60℃，与PLA相比，提升幅度较小，当PE含量达到50%及以上时，PLA/PE复合材料微结构的连续相变为PE，维卡软化点温度大幅提高，PLA/PE(10/90)的维卡软化点温度为85.3℃，与PLA相比，提高了44.3%。结合DSC分析可知，PLA由于结晶速率较慢，结晶困难，晶体含量较少，材料的耐热性较差，维卡软化点温度与玻璃化转变温度接近，而PE具有较好的结晶能力，同时对PLA具有异相成核作用，促进了PLA/PE复合材料形成大量的晶体，从而提高了复合材料的维卡软化点温度，提升了PLA的耐热性，拓宽了PLA的耐热范围。

2.4PE含量对PLA/PE复合材料断面微观形貌的影响

PLA/PE(90/10)属于脆性断裂，断面较平整，PLA/PE(50/50)和PLA/PE(10/90)属于韧性断裂，表面凹凸不平，基体存在明显的受力变形。PLA/PE(90/10)两相呈现明显的“海－岛”结构，PE分散相与PLA基体有明显的界面间隙，受冲击作用分散相未发生明显变形，因此，冲击强度提升幅度较小。PLA/PE(50/50)中分散相尺寸较大，分散相脱落后，基体的凹坑表面光滑，同时，基体受冲击作用而发生明显的变形，这表明，两相间界面作用较弱，而基体已转变为以PE为主，抗冲击性能与PLA相比有明显提高。PLA/PE(10/90)中的基体PE受冲击力作用，发生了明显的大面积变形，少量的PLA分散相仍以球形存在，材料传递与耗散冲击能较强，冲击强度较高，材料的韧性较好。

结语

采用熔融共混的方法制备了PLA/PE复合材料，当PE含量小于50%时，随着PE含量的增加，PLA/PE复合材料的拉伸强度、拉伸模量大幅下降，断裂伸长率和冲击强度提高幅度较小;当PE含量大于50%时，拉伸强度和拉伸模量变化较小，断裂伸长率和冲击强度大幅提升，PLA/PE(10/90)的断裂伸长率达到614.9%，与PLA相比，提高了92倍，PLA/PE(30/70)的冲击强度为14.3kJ/m2，与PLA相比，提高了约5倍，材料的韧性得到显著提高。PE对PLA具有异相成核作用，促进了PLA的结晶，提高了复合材料的结晶度、耐热性及热稳定性，PE的加入对PLA大分子链的松弛过程产生了显著影响，PLA/PE复合材料的复数黏度明显增大。

参考文献

［1］李杨，殷德贤，朱敏，等．增容作用对聚乳酸/高密度聚乙烯合金发泡行为的影响［J］．中国塑料，2019，33(9):50－56．

［2］夏学莲，刘文涛，朱诚身，等．PET/PLA共混物相容性和结晶性能的研究［J］．中国塑料，2012，26(4):35－39．

［3］杨雯迪，刘文毅，梁孝林，等．聚乳酸/聚多巴胺复合材料的制备及性能研究［J］．应用化工，2019，48(12):2919－2923．