有機膨潤土/聚乙烯母料制備及力學性能研究

許鳳林，徐傳云，李春生，呂雙雙，張曉紅，於 飛

（浙江省地質礦產研究所，浙江 杭州 310007）

1 前言

聚乙烯因價格低廉，成型加工容易，因而應用面較廣。為提高聚乙烯的力學性能，一般可通過物理和化學改性來實現[1]。用礦物材料滑石、碳酸鈣、高嶺土等高分子填充材料已經有很長的歷史，通常主要采用微米級(＜10μm)礦物質填充劑對聚合物進行填充改性。國內外采用層狀硅酸鹽以及人工合成納米碳酸鈣、二氧化硅等對聚合物進行復合改性具有增強和增韌作用，通過蒙脫石改性聚乙烯塑料將會達到高性能化應用[2-3]。

近幾年來，以蒙脫石納米級分散在聚合物基體中的粘土/聚合物復合制備技術發展很快，在工程塑料、塑料包裝材料等領域呈現出良好的應用前景。聚合物熔融擠出法是利用傳統擠出加工設備，將高聚物擠出成型工藝與插層技術集于一體，因工藝簡單、成本低、易于工業化等優點，與其他納米復合技術相比具有較強的競爭力。由于蒙脫石等粘土礦物獨具的層片狀結構，可以通過物理、化學方法將有機陽離子或極性有機分子插入粘土層間，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/聚合物熔融插層復合材料影響的因素很多，如蒙脫石的性質、有機改性劑類型、聚合物種類以及加工工藝等[5]，蒙脫石在聚合物基體中的分散性成為影響復合材料性能的關鍵因素。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

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

2.2 主要設備

高速混合機：江蘇江陰； SHJ-36同向平行雙螺桿混煉造粒擠出機：江蘇南京；ATECH愛科AT200注塑機：杭州愛科；CMT系列微機控制電子萬能(拉力)試驗機，深圳新三思； XJJ-5簡支梁沖擊試驗機，北京金威鑫；Rigaku D/Max-ⅢB全自動X-衍射儀等。

2.3 母料化制備

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

2.4 注射試樣制備方法

采用ATECH愛科AT200注塑機將母料與LDPE2426K稀釋至有機土含量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 復合試樣力學性能測定

拉伸試驗按GB/T 1040.2-2006測試；彎曲試驗按GB/T 9341-2000測試；簡支梁沖擊試驗按GB/T 1043-92測試。

3 結果與討論

3.1 復合試樣的力學性能

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性能測定結果。

不同含量接枝聚乙烯制備母料稀釋注射試樣的力學性能

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試樣相比結果如下：

(1)20%接枝聚乙烯制備母料A稀釋注射試樣：隨有機膨潤土含量(5%～10%)增加，拉伸強度增加，由10.48MPa提高至11.62MPa(增幅10.9%)；斷裂伸長率降低，由145.39%降低至99.95%(圖2)；彎曲強度增大，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%)，顯示復合試樣剛性增大(圖3)；沖擊強度也有所降低，10%有機膨潤土沖擊強度為21.56kJ/m2。

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

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

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

3.2 復合試樣的X-射線衍射表征分析

針對母料B稀釋注射試樣(5%和9%有機膨潤土)進行了XRD表征分析，并對注射復合試樣與有機膨潤土(DK1N)進行了對比分析，見圖10。

母料B稀釋注射試樣(5%和9%有機膨潤土)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%有機膨潤土)蒙脫石層狀結構特征衍射峰(d001)在譜圖中仍然存在，層間距也沒有明顯增大，顯示大分子鏈的聚乙烯對有機蒙脫石(DK1N)沒有形成插層或剝離結構；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，提高了有機蒙脫石與聚乙烯的相容性，基體與有機蒙脫石的結合力有所增強，這有利于復合試樣力學性能的改善與提高。

3 結論

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

[1]杜新勝,楊成潔,陳秀娣,等.聚乙烯改性的研究與進展[J].國外塑料,2009,27(9):38-41.

[2]丁仲芬,黃少慧.超細粒子分散相對聚合物材料性能的影響[J].塑料加工,1998,26(3):13-18.

[3]郜華萍,譚惠民.SiO2納米粒子增強改性聚乙烯力學性能的研究[J].昆明理工大學學報(理工版),2005,30(3):35-37.

[4]陳中華,馮潤財.低極性聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料研究進展[J].納米材料與應用,2007,4(2):16-20.

[5]徐博,鄭強.熔融插層法制備聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料的調控因素[J].高分子材料科學與工程,2005,21(1):43-47.