有機(jī)膨潤(rùn)土/聚乙烯母料制備及力學(xué)性能研究

許鳳林，徐傳云，李春生，呂雙雙，張曉紅，於 飛

（浙江省地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，浙江 杭州 310007）

1 前言

聚乙烯因價(jià)格低廉，成型加工容易，因而應(yīng)用面較廣。為提高聚乙烯的力學(xué)性能，一般可通過(guò)物理和化學(xué)改性來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。用礦物材料滑石、碳酸鈣、高嶺土等高分子填充材料已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史，通常主要采用微米級(jí)(＜10μm)礦物質(zhì)填充劑對(duì)聚合物進(jìn)行填充改性。國(guó)內(nèi)外采用層狀硅酸鹽以及人工合成納米碳酸鈣、二氧化硅等對(duì)聚合物進(jìn)行復(fù)合改性具有增強(qiáng)和增韌作用，通過(guò)蒙脫石改性聚乙烯塑料將會(huì)達(dá)到高性能化應(yīng)用[2-3]。

近幾年來(lái)，以蒙脫石納米級(jí)分散在聚合物基體中的粘土/聚合物復(fù)合制備技術(shù)發(fā)展很快，在工程塑料、塑料包裝材料等領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。聚合物熔融擠出法是利用傳統(tǒng)擠出加工設(shè)備，將高聚物擠出成型工藝與插層技術(shù)集于一體，因工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于工業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，與其他納米復(fù)合技術(shù)相比具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。由于蒙脫石等粘土礦物獨(dú)具的層片狀結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)物理、化學(xué)方法將有機(jī)陽(yáng)離子或極性有機(jī)分子插入粘土層間，在剪切力作用下將層狀蒙脫石剝離成納米級(jí)分散在聚合物基體中。但弱極性聚合物與層狀硅酸鹽的極性相差很大，因此相容性較差，外加增容劑是改善兩者相容性的有效辦法[4]。蒙脫石/聚合物熔融插層復(fù)合材料影響的因素很多，如蒙脫石的性質(zhì)、有機(jī)改性劑類(lèi)型、聚合物種類(lèi)以及加工工藝等[5]，蒙脫石在聚合物基體中的分散性成為影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

低密度聚乙烯(LDPE2426K)：廣東茂名石化；有機(jī)膨潤(rùn)土(DK1N)：浙江豐虹新材料股份有限公司；相容劑(接枝聚乙烯)：上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司；其他試劑：市售。

2.2 主要設(shè)備

高速混合機(jī)：江蘇江陰； SHJ-36同向平行雙螺桿混煉造粒擠出機(jī)：江蘇南京；ATECH愛(ài)科AT200注塑機(jī)：杭州愛(ài)科；CMT系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能(拉力)試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思； XJJ-5簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，北京金威鑫；Rigaku D/Max-ⅢB全自動(dòng)X-衍射儀等。

2.3 母料化制備

固定有機(jī)土(DK1N)/低密度聚乙烯(LDPE2426K)配比1∶3，相容劑(接枝聚乙烯)按有機(jī)土20%、40%和60%添加，同時(shí)加入抗氧劑、分散劑等助劑，采用雙螺桿熔融擠出法進(jìn)行母料制備，編號(hào)：母料A、B、C。母料制備方法：有機(jī)膨潤(rùn)土、LDPE2426K、相容劑及抗氧劑、分散劑等助劑在高速混合機(jī)中預(yù)混；預(yù)混物在雙螺桿擠出機(jī)上熔融擠出母料化造粒(圖1)。擠出機(jī)長(zhǎng)徑比36，螺桿直徑35.5mm，擠出溫度為160～185℃，轉(zhuǎn)速為240r/min。

2.4 注射試樣制備方法

采用ATECH愛(ài)科AT200注塑機(jī)將母料與LDPE2426K稀釋至有機(jī)土含量3%、5%、7%、9%、10%注射樣條，基體(LDPE2426K)添加抗氧劑注射樣條，注射溫度190～210℃，注射壓力5～6MPa，保壓6MPa。

2.5 復(fù)合試樣力學(xué)性能測(cè)定

拉伸試驗(yàn)按GB/T 1040.2-2006測(cè)試；彎曲試驗(yàn)按GB/T 9341-2000測(cè)試；簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)按GB/T 1043-92測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合試樣的力學(xué)性能

下表是不同含量接枝聚乙烯制備母料稀釋注射試樣的力學(xué)性能測(cè)定結(jié)果。

不同含量接枝聚乙烯制備母料稀釋注射試樣的力學(xué)性能

不同含量接枝聚乙烯制備母料稀釋注射試樣與基體聚乙烯LDPE2426K試樣相比結(jié)果如下：

(1)20%接枝聚乙烯制備母料A稀釋注射試樣：隨有機(jī)膨潤(rùn)土含量(5%～10%)增加，拉伸強(qiáng)度增加，由10.48MPa提高至11.62MPa(增幅10.9%)；斷裂伸長(zhǎng)率降低，由145.39%降低至99.95%(圖2)；彎曲強(qiáng)度增大，由9.26MPa提高至10.49MPa(增幅11.7%)；彎曲模量增大，由227.09MPa提高至303.85MPa(增幅33.8%)，顯示復(fù)合試樣剛性增大(圖3)；沖擊強(qiáng)度也有所降低，10%有機(jī)膨潤(rùn)土沖擊強(qiáng)度為21.56kJ/m2。

(2)40%接枝聚乙烯制備母料B稀釋注射試樣：隨有機(jī)膨潤(rùn)土含量(3%～9%)增加，拉伸強(qiáng)度逐漸增大，由10.48MPa提高至12.17MPa(增幅16.1%)；斷裂伸長(zhǎng)率有所降低，由145.39%最低下降至124.02%，在5%有機(jī)土?xí)r，斷裂伸長(zhǎng)率與基體聚乙烯LDPE 2426K持平(圖4)；彎曲強(qiáng)度逐漸增大，由9.26MPa提高至11.62MPa(增幅25.5%)；彎曲模量也呈現(xiàn)逐漸增大，由227.09MPa提高至344.16MPa(增幅51.6%)，顯示復(fù)合試樣的剛性逐漸增大(圖5)；沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為沖不斷。

(3)60%接枝聚乙烯制備母料C稀釋注射樣條：隨有機(jī)膨潤(rùn)土含量(3%～9%)增加，拉伸強(qiáng)度先增大后持平，由10.48MPa提高至12.16MPa(增幅16.0%)；斷裂伸長(zhǎng)率有所下降，由145.39%下降至122.17%，下降后略有回升(圖6)；彎曲強(qiáng)度由9.26MPa下降至8.22MPa，再逐漸上升至9.23MPa，呈現(xiàn)先降低再上升；彎曲模量由227.09MPa下降至198.71MPa，再逐漸回升至250.1MPa，呈現(xiàn)先降低再上升(圖7)；沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為沖不斷。

(4)比較母料A、母料B和母料C稀釋注射試樣(5%有機(jī)膨潤(rùn)土含量)：母料A、母料B和母料C復(fù)合試樣的拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于基體LDPE2426K，其中，以母料B復(fù)合試樣最好；母料A、母料B和母料C復(fù)合試樣斷裂伸長(zhǎng)率與基體LDPE2426K相比有所下降或基本持平，以母料B復(fù)合試樣最好，與基體LDPE2426K持平(圖8)；母料A、母料B和母料C復(fù)合試樣的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量與基體LDPE2426K相比，母料B優(yōu)于LDPE2426K，母料A和母料C有所降低(圖9)；沖擊強(qiáng)度均表現(xiàn)為沖不斷。

3.2 復(fù)合試樣的X-射線衍射表征分析

針對(duì)母料B稀釋注射試樣(5%和9%有機(jī)膨潤(rùn)土)進(jìn)行了XRD表征分析，并對(duì)注射復(fù)合試樣與有機(jī)膨潤(rùn)土(DK1N)進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)圖10。

母料B稀釋注射試樣(5%和9%有機(jī)膨潤(rùn)土)XRD分析顯示：加入接枝聚乙烯相容劑的母料B稀釋注射試樣(5%和9%有機(jī)膨潤(rùn)土)蒙脫石層狀結(jié)構(gòu)特征衍射峰(d001)在譜圖中仍然存在，層間距也沒(méi)有明顯增大，顯示大分子鏈的聚乙烯對(duì)有機(jī)蒙脫石(DK1N)沒(méi)有形成插層或剝離結(jié)構(gòu)；但加入接枝聚乙烯相容劑有利于蒙脫石在聚乙烯基體中的分散，提高了有機(jī)蒙脫石與聚乙烯的相容性，基體與有機(jī)蒙脫石的結(jié)合力有所增強(qiáng)，這有利于復(fù)合試樣力學(xué)性能的改善與提高。

3 結(jié)論

采用雙螺桿熔融擠出法制備的有機(jī)膨潤(rùn)土/聚乙烯母料，以母料與低密度聚乙烯稀釋注射標(biāo)準(zhǔn)試樣的力學(xué)性能測(cè)定表明：40%接枝聚乙烯制備母料稀釋注射試樣(5%有機(jī)膨潤(rùn)土)與基體聚乙烯相比，拉伸強(qiáng)度提高16.1%，彎曲強(qiáng)度提高25.5%，彎曲模量提高51.6%，斷裂伸長(zhǎng)率與基體聚乙烯持平，沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)為沖不斷；試樣的X-射線衍射表征分析顯示，有機(jī)膨潤(rùn)土/聚乙烯復(fù)合體系不易形成插層或剝離結(jié)構(gòu)，但接枝聚乙烯提高了有機(jī)膨潤(rùn)土在基體聚乙烯中的分散性，有利于復(fù)合試樣力學(xué)性能的改善與提高。

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