相容劑對(duì)有機(jī)蒙脫土改性聚乙烯塑料性能的影響＊

李翠勤,王 俊,張懷志,方 宏(大慶石油學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,黑龍江大慶,6338;大慶化工研究中心,黑龍江大慶,6338)

相容劑對(duì)有機(jī)蒙脫土改性聚乙烯塑料性能的影響＊

李翠勤1,王 俊1,張懷志2,方 宏2
(1大慶石油學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,黑龍江大慶,163318;2大慶化工研究中心,黑龍江大慶,163318)

利用相容劑對(duì)有機(jī)蒙脫土改性聚乙烯塑料進(jìn)行改性研究,結(jié)果表明,加入相容劑后聚乙烯與有機(jī)蒙脫土的界面相容性得到改善,顆粒引起的應(yīng)力集中和產(chǎn)生缺陷的幾率大大降低,改性聚乙烯塑料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有不同程度的提高。綜合改性聚乙烯塑料的物理性能,相容劑用量在5份左右最佳。

聚乙烯;納米復(fù)合材料;相容劑

聚乙烯(PE)作為一種通用塑料,具有密度小、價(jià)格低、加工性能優(yōu)良、耐化學(xué)藥品等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于家電、汽車、包裝、建筑等行業(yè)。但因其存在力學(xué)強(qiáng)度低、成型收縮率大、熱變形溫度不高等缺點(diǎn),從而限制了其應(yīng)用[1]。為了得到工程化的改性PE材料,通常采用在PE中加入層狀硅酸鹽的方法提高其力學(xué)性能和熱變形溫度,并降低其成型收縮率[2]。由于PE和層狀硅酸鹽相容性差,一般需要加入聚乙烯-馬來(lái)酸酐接枝物(PEg MAH)或PE接枝其它極性單體作為相容劑來(lái)增強(qiáng)PE與有機(jī)蒙脫土(MM T)的相容性[3]。但是,相容劑的加入會(huì)影響材料成型后制品的形變,嚴(yán)重影響了制品的質(zhì)量和外觀。本實(shí)驗(yàn)研究了相容劑的不同含量對(duì)有機(jī)蒙脫土增強(qiáng)聚乙烯力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

高密度聚乙烯(HDPE),5300B,大慶石化總廠;十六烷基三甲基氯化銨,AR,天津福晨化學(xué)試劑廠;鈉基蒙脫土,浙江豐虹粘土化工有限公司;馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯(PEMA),上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司。

SHB-3型循環(huán)水多用真空泵,鄭州杜甫儀器廠;LY-DH 4型報(bào)警顯示活動(dòng)式恒溫箱,福建省龍溪教學(xué)儀器廠;PE-680型紅外光譜分析儀, PERK IN-ELMR公司;93006D型球磨機(jī),R igaku公司;RHEOCORD 90型雙螺桿擠出機(jī),德國(guó)HAAKE公司;INSTRON 4467型材料試驗(yàn)機(jī),英國(guó)INSTRON國(guó)際有限公司。

1.2 蒙脫土的有機(jī)化

稱取20g鈉基蒙脫土,在強(qiáng)攪拌下分散于1000mL去離子水中,制得蒙脫土懸濁液;稱取7g大于鈉基蒙脫土離子交換量的十六烷基三甲基氯化銨,在攪拌條件下溶于一定量的去離子水中,配制成溶液。將蒙脫土懸濁液置于80℃恒溫水浴中,在攪拌下滴加十六烷基三甲基氯化銨溶液,反應(yīng)2h;靜止24h,將得到的白色沉淀物抽濾,并用去離子水洗至無(wú)氯離子存在(AgNO3溶液檢驗(yàn)),將白色沉淀物放入烘箱中在70℃下干燥,研磨、過(guò)篩,備用。

1.3 HDPE/MM T/PEMA納米復(fù)合材料的制備

利用活化后的有機(jī)蒙脫土和一定量的相容劑(馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯PEMA),同高密度聚乙烯(5300B粒狀),于170℃下熔融共混;擠出造粒。有機(jī)蒙脫土添加量分別為3%、5%、7%;相容劑添加量分別為3%、5%、7%,制得高密度聚乙烯/蒙脫土/馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯納米復(fù)合材料(HDPE/MM T/PEMA納米復(fù)合材料)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒙脫土的結(jié)構(gòu)表征

圖1為鈉基蒙脫土和有機(jī)化蒙脫土的紅外譜圖。從圖1可以看出,有機(jī)蒙脫土的紅外譜圖中仍然存在鈉基蒙脫土的特征吸收峰,在波數(shù)為3600 cm-1-3640cm-1處出現(xiàn)了O—H伸縮振動(dòng)峰,在波數(shù)為1039 cm-1處出現(xiàn)了Si—O的伸縮振動(dòng)峰,另外在波數(shù)為520 cm-1和465 cm-1處出現(xiàn)了Si—O的彎曲振動(dòng)峰[4]。從圖1(a)中還可以看出,在波數(shù)為1638 cm-1處出現(xiàn)了弱的吸收峰,該峰為未烘干的鈉基蒙脫土中含的O—H的振動(dòng)吸收峰。從圖1(b)中看出,在波數(shù)為2926 cm-1和2851 cm-1處出現(xiàn)了C—H伸縮振動(dòng)峰,在1471 cm-1處出現(xiàn)了C—H彎曲振動(dòng)峰,這些特征峰的出現(xiàn),充分證明有—CH2—和—CH3存在。這些特征峰的出現(xiàn)表明了有機(jī)成分已進(jìn)入蒙脫土層間,鈉基蒙脫土已被有機(jī)化。

圖1 蒙脫土的紅外譜圖Fig.1 IR spectra ofMM T

2.2 相容劑含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

圖2表示在蒙脫土含量不變的情況下,相容劑量的變化對(duì)體系拉伸強(qiáng)度的影響。從圖2可以看出,在蒙脫土的量不變時(shí),復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度隨相溶劑量增加先增加后減小。而且相容劑的含量在5%時(shí),拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值,體系在相容劑的存在下,聚乙烯更容易進(jìn)入到蒙脫土的片層間,使有機(jī)蒙脫土同聚乙烯的結(jié)合更為緊密,納米塑料的拉伸強(qiáng)度也隨之增加。

圖2 相容劑含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 The effectof the contentof compatilizeron the stretch strength of ConopsiteM aterials

2.3 相容劑對(duì)復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖3為相容劑對(duì)十六烷基三甲基氯化銨活化蒙脫土改性聚乙烯斷裂伸長(zhǎng)率的影響圖。從圖3可以看出,相容劑存在與否,復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率都隨蒙脫土量的增加而降低;而且在相容劑存在的情況下,斷裂伸長(zhǎng)率降低的幅度遠(yuǎn)大于沒(méi)有相容劑存在的情況,也即在相容劑存在時(shí),蒙脫土同聚乙烯的相容性要比沒(méi)有相容劑好,蒙脫土插層效果好,進(jìn)入蒙脫土片層的聚乙烯的量多,因此HDEP和有機(jī)蒙脫土片層之間以及插層劑之間物理化學(xué)作用更弱[5]。有機(jī)蒙脫土的質(zhì)量百分含量越大,整個(gè)復(fù)合體系中上述的物理化學(xué)作用相對(duì)越來(lái)越弱,此復(fù)合材料在受到軸向拉伸時(shí)越容易發(fā)生斷裂,即此復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率越小。

圖3 相容劑對(duì)復(fù)合體系斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.3 The effectof the Compatilizere on the elongation of compound system atbreak

2.4 相容劑對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

從圖4中可以看出,復(fù)合材料在沒(méi)有加相容劑的情況下,拉伸強(qiáng)度隨蒙脫土含量增加而減小;但加入相容劑后,拉伸強(qiáng)度隨蒙脫土含量的增加先增加后減小,在蒙脫土含量為3%時(shí)出現(xiàn)一最大值且增加幅度相對(duì)較大。相容劑的存在使聚乙烯插層蒙脫土更為容易,而蒙脫土含量在3%時(shí)聚乙烯插層蒙脫土效果最佳,拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)最大值,這是因?yàn)樵谙嗳輨┐嬖诘那闆r下,聚乙烯同蒙脫土相互作用明顯加強(qiáng),導(dǎo)致復(fù)合體系的拉伸強(qiáng)度明顯上升。

圖4 相容劑對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.4 The effectof the compatilizeron the stretch strength of compound system

3 結(jié)論

相容劑的加入使有機(jī)蒙脫土聚乙烯塑料的力學(xué)性能均有不同程度的提高,并使得聚乙烯更容易插層于有機(jī)蒙脫土,聚乙烯與有機(jī)蒙脫土的相互作用明顯增強(qiáng),改性聚乙烯塑料的性能明顯提高。

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Effects of Com pa tib ilizer on Polyethy lene Nanop lastic

L ICui-qin1,WANG Jun1,ZHANG Huai-zhi2,FANG Hong2
(1 Co llege of Chem istry and Chem ical Engineering,Daqing Petro leum Institu te,Daqing 163318, Heilongjiang,China;2 Daqing Chem icalResearch Center,Daqing 163318,Heilongjiang,China)

The effectof compatibilizeron po lyethylene nanop lasticwas studied.The resu lt showed thatcompatibilizer could imp rove the compatibility between polyethylene and organicmontmorillonite,and the p robability of stress concentration and defectsof the composites caused by sm allparticleswere decreased greatly.It cou ld increase the tensile strength and elongation atbreak of the po lyethylene nanop lastic.The best contentof com patibilizer shou ld be 5phr acco rding to them echanicalp ropertiesof the po lyethylene nanop lastic.

po lyethylene;nanocomposite;compatilizer

TB332

2010-03-18

黑龍江省大慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目