貝殼微粉/PE復合材料的制備與性能研究

王 瑋,欽維民,王依民

(1.東華大學化學化工與生物工程學院,上海 201620;2.東華大學材料學院纖維材料改性國家重點實驗室,上海 201620）

研究論文

貝殼微粉/PE復合材料的制備與性能研究

王 瑋1,欽維民1,王依民2

(1.東華大學化學化工與生物工程學院,上海 201620;2.東華大學材料學院纖維材料改性國家重點實驗室,上海 201620）

分別采用鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑、表面活性劑等對貝殼微粉進行表面處理,通過熔融共混法制備了貝殼微粉/PE復合材料,并進行了力學性能測試與表征。結果表明,經過3種處理劑處理后的貝殼微粉能顯著提高PE的缺口沖擊韌性和拉伸強度,其中NDZ-201鈦酸酯偶聯劑的處理效果最佳,當貝殼微粉質量分數為8%時,對PE的改性效果最好,缺口沖擊韌性提高了68%,彈性模量提高了28%。

聚乙烯;貝殼微粉;增韌;偶聯劑

聚乙烯(PE）是通用合成樹脂中應用最廣泛的品種。聚乙烯由于無毒、耐低溫、化學穩(wěn)定性好、吸水性小,廣泛應用在薄膜、管材、電線電纜和粘合劑等方面[1～2]。其中一個重要應用是作為防彈無緯布基體膠粘劑。柔性防彈無緯布是由高強聚乙烯、芳綸等高性能纖維經單向排布,然后交叉鋪疊而成。高性能纖維提供了足夠高的力學性能,然而,作為防彈無緯布基體膠粘劑,現有乙烯類膠粘劑抗沖擊性能還不夠,有必要對其進行改性處理[3]。

對聚烯烴進行增韌改性是近年來重要的研究課題,目前國內外對其改性的主要方法有:與不同樹脂共混,添加彈性體及添加無機剛性粒子等[4]。近年來利用無機納米粒子對聚烯烴進行改性的研究十分活躍[6～7]。納米粒子的粒徑在10～100 nm之間,由于其晶體結構和表面電子結構所發(fā)生的變化,產生了量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子效應等,將其填充在聚合物中能獲得一些特殊的效果[8]。貝殼是一種廉價易得的天然生物納米復合材料,具有獨特的交叉層狀結構,有較高的強韌性,是一種天然的無機—有機雜化材料,其化學組成主要有占95%的碳酸鈣和少量蛋白質和多糖類物質[9～10]。筆者分別采用鈦酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑和表面活性劑等對貝殼微粉進行表面處理,通過熔融共混法制備貝殼微粉/PE復合材料,研究了不同表面處理方法對貝殼微粉/PE復合材料力學性能的影響,并對貝殼微粉在基體中的分散情況進行了研究。

1 實 驗

1.1 原料及設備

聚乙烯(PE）:HDPE,牌號5010,熔融指數為6.5,中石化上海金山石化有限公司;

貝殼微粉:平均粒徑7μm,湖南常德貝殼粉生產有限公司;

鈦酸酯偶聯劑NDZ-201、Tm-38S,硅烷偶聯劑KH550,江蘇天揚助劑有限公司;

無水乙醇和硬脂酸鈉,國藥集團上?；瘜W試劑有限公司;

哈克共混擠出設備,晨光塑料機械研究所;全自動注塑機,震德塑料機械廠有限公司;萬能材料試驗機,承德市考思科學檢測有限公司;

沖擊試驗機,長春科新實驗儀器有限公司。

1.2 PE/貝殼粉復合材料的制備

采用機械共混法,將貝殼粉與PE按一定比例,先用高速混合機打勻,再經雙螺桿擠出機擠出,雙螺桿擠出參數如表1所示,經過水槽冷卻后造粒。將粒料在80℃下烘干2 h,用全自動注塑成型機注塑成尺寸均一的啞鈴型拉伸樣條和帶“V”型缺口的沖擊樣條,以備拉伸測試和沖擊測試用。

1.3 性能測試與表征

缺口沖擊性能:按GB/T 1843-1996測試,拉伸性能按GB/T1043-1993測試。

采用日本JEOL電子株氏會社生產的JS M-6500LV型數字化低真空掃描電子顯微鏡進行斷面微觀結構觀察。

表1 雙螺桿擠出參數

2 結果與討論

2.1 偶聯機理

以硅烷偶聯劑為例,其偶聯機理為:

a）硅烷偶聯劑的水解:

硅烷偶聯劑RSi(OEt）3中的硅氧鍵在適當條件下水解成硅醇鍵。

b）分子內脫水:

硅醇鍵之間脫水縮合形成分子內脫水的低聚硅氧烷。

c）氫鍵、縮合脫水、共價鍵的形成:

低聚物中的硅醇鍵與貝殼粉表面的羥基形成氫鍵,在加熱條件下脫水縮合與貝殼粉形成共價鍵連接。

2.2 偶聯劑種類對復合材料沖擊性能的影響

圖1是偶聯劑種類對貝殼微粉/PE復合材料沖擊性能的影響。由圖1可知,經偶聯劑處理的復合材料的缺口沖擊強度比未處理的均有一定的提高,其中NDZ-201鈦酸酯偶聯劑處理的缺口沖擊強度最高,達到48 kJ/m2。鈦酸酯偶聯劑的分子結構基本可表示為(RO）m—Ti—(OX—R′—Y）n,式中1≤m≤4,m+n≤6。其中—OX具有酯基轉移和交聯功能,酯交換反應的活性太高會造成粘度急劇升高,但是在熱塑性聚合物中鈦酸酯偶聯劑不會發(fā)生過多的酯交換,因此鈦酸酯偶聯劑處理后的貝殼粉在基體中分散性良好,缺口沖擊強度大。

圖1 偶聯劑種類對貝殼微粉/PE復合材料沖擊強度的影響

2.3 貝殼微粉用量對復合材料沖擊性能的影響

圖2為貝殼微粉用量對復合材料沖擊性能的影響。由圖2可以看出,經NDZ-201鈦酸酯偶聯劑處理后復合材料的缺口沖擊強度呈先上升后下降的趨勢,當貝殼微粉質量分數在8%時達最高,較純PP增加了68%。復合材料中的微細粒子在其受到外力作用時,引發(fā)基體產生大量銀紋,發(fā)生塑性形變,吸收大量沖擊能量,達到增韌效果;當貝殼微粉的加入過量時,粒子在基體中容易團聚,產生應力缺陷,從而降低復合材料的缺口沖擊強度。

2.4 貝殼微粉用量對復合材料拉伸強度及模量的影響

圖3為貝殼微粉用量對復合材料拉伸強度及模量的影響。從圖3中可以看出,復合材料的拉伸強度和模量呈先增后減的趨勢,復合材料的拉伸強度在貝殼微粉用量5%達到極大值,極大值約為23.5 MPa;彈性模量則在貝殼微粉用量10%達到極大值,極大值約為88.0 GPa,分別比未加貝殼粉的抗拉強度提高17%左右、彈性模量提高25%左右。一般來說,當貝殼微粉在基體中分散均勻時,復合材料強度和模量都是最佳。

2.5 貝殼微粉/PE復合材料的沖擊斷面形貌

圖4為純PE和貝殼微粉/PE復合材料沖擊斷面的SEM照片。對于添加未改性貝殼粉的PE體系,由于貝殼粉與基體PE的相容性較差,因而顯示貝殼粉與PE間沒有太多的粘連(如圖4b）。而對于添加改性貝殼粉體系,由于硅烷偶聯劑改性之后,硅烷偶聯劑中含有的極性部分和非極性部分,能同時和極性物質與非極性物質產生較好的親和力,偶聯劑在貝殼粉與PE基體之間形成“橋接”。貝殼粉與基體存在著明顯的粘連(如圖4a）,可見與基體PE的親和性得到改善。

圖2 貝殼微粉用量對復合材料沖擊性能的影響

圖3 貝殼微粉用量對復合材料拉伸強度及模量的影響

圖4 SEM微觀結構觀察

圖4c顯示純PE為韌性斷裂。而添加3%改性貝殼粉的PE這種韌性斷裂形貌更為明顯(圖4d）,粘連更多。這說明材料受到沖擊時,均勻分散的貝殼粉能傳遞應力,承受載荷,使裂紋偏轉而達到增韌。貝殼粉的層狀結構之間以及貝殼粉與PE之間均有較強的粘結,受到沖擊后更多地吸收了沖擊能。

3 結 論

a）用偶聯劑處理貝殼微粉能有效提高復合材料的力學性能,其中NDZ-201鈦酸酯偶聯劑的效果最佳。

b）復合材料的缺口沖擊強度隨貝殼微粉的增加呈先增后降的趨勢,其最佳用量為8%,其缺口沖擊強度較純PE提高68%。

c）復合材料的拉伸強度在貝殼微粉用量5%時達到極大值,彈性模量則在貝殼微粉用量10%達到極大值,當貝殼微粉在基體中分散均勻時,復合材料強度和模量都是最佳。

d）偶聯劑的處理可以使得貝殼微粉在PE基體中相容性改善,避免團聚現象,并提高貝殼粉與PE基體的粘結強度。

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Research on preparation and property of shell powder/PE composite

Wangwei1,Qin weimin1,Wang yimin2

(1.College of Chem ical&B iological Engineering,Donghua University,Shanghai201620,China;
2.College of M aterials Science and Engineering,Donghua University,
State Key Laboratory forM odification of Chem ical Fibers and Polym erM aterials,Shanghai201620,China）

Shell powderwas treated by titanate coupling agent,silane coupling agent and surfactant agent respectively.Shell powder/PE composite was prepared by means of melt blending,and the mechanical properties of the composite were tested and characterized.The results indicated the notched impact strength of PE was greatly improved by shell powder treated by the coupling agents,among which NDZ-201 titanate was the best one.When the mass fraction of shell powderwas 8%,the modification of PE was the best,the impact strength was increased by 68%and Youngsmoduluswas increased by 28%.

PE;shell powder;toughening;coupling agent

TQ050.43

A

1006-334X(2010）03-0001-04

2010-06-21

王瑋(1986-）,安徽六安人,在讀碩士研究生,研究方向為微細顆粒增強復合材料的制備和性能研究。