納米ZnO/HDPE復合材料的抗老化性能研究

李明 張黎君 智紅梅

(河南應用技術職業學院化學工程學院，河南 鄭州，450042)

聚乙烯為五大通用塑料之一，具備優良的電絕緣性、優異的耐化學性、很低的吸水率和突出的耐寒性，廣泛應用于管道、薄膜、杯子、包裝袋、發泡品、絕緣材料等日用品制造領域，在化工工業中占有極其重要的地位，其中，高密度聚乙烯(HDPE)由于可回收再利用的環保特性而備受青睞。HDPE是一種非極性的熱塑性聚烯烴，由乙烯通過共聚反應制得，其分子鏈簡單對稱，并含有少量支鏈，結晶度和密度較高，外觀呈乳白色顆粒狀，除了具有耐熱抗寒、化學性能穩定等優點以外，還具有高剛性高韌性等優良的使用性能，具有廣泛的應用價值與廣闊的發展前景。但在存儲、加工、使用過程中，因受到外部光、熱、氧等因素的影響，HDPE會產生不同程度的外觀變化及性能下降等老化現象，產生巨大的安全隱患[1-6]。因此，需要對HDPE的抗老化性能進行研究以提升其應用價值。

納米氧化鋅(ZnO)作為新型的多功能材料，具有顆粒小、比表面積大、摩擦阻力小、易分散、對紫外線有良好的吸收和散射作用等優點，使其表現出一些特殊功能，如光催化性能、抗菌性能、抗紫外線性能等[7-13]。研究表明，在聚合物中填充納米ZnO可增強其抗老化性能[14]。目前納米ZnO的合成已較成熟，因此，下面選用納米ZnO加入HDPE中，研究不同添加量的納米ZnO在人工加速真空老化、濕熱老化、紫外老化條件下對HDPE材料抗老化性能的影響。

1 試驗部分

1.1 主要原料與儀器設備

納米ZnO，分析純，(克拉瑪爾)上海譜振生物科技有限公司；HDPE，5000S，山東金茂塑業有限公司。

注塑機，MA10000II/8400，寧波海天集團股份有限公司；雙螺桿擠出機，TSE-52，南京海思擠出裝備有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)，IRPrestige-21，天津島津精密機械有限公司；萬能試驗機，XWW-20A，承德市東來檢測儀器有限公司；沖擊試驗機，JBW-300B，濟南力領試驗機有限公司；混合機，ZGH-350，常州市億寶干燥科技有限公司；紫外老化試驗箱，ZN-P，長春市智能儀器設備有限公司；紫外可見分光光度計，UV754-PC，濟南童鑫生物科技有限公司；熔體流動速率儀(MFR)，SRZ-400D，長春市智能儀器設備有限公司。

1.2 試樣制備

將一定質量份的HDPE和納米ZnO加入混合機中，混合均勻，然后加入雙螺桿擠出機，擠出造粒，雙螺桿擠出機溫度200 ℃，主機轉速200 r/min，喂料轉速15 r/min，制得了納米ZnO/HDPE復合材料。采用注塑機將部分納米ZnO/HDPE復合材料制成標準啞鈴型試樣，注塑機從料筒到噴嘴溫度分別為190，200，210 ℃；將其余部分納米ZnO/HDPE復合材料制成薄膜。表1為納米ZnO/HDPE復合材料的配方。

表1 納米ZnO/HDPE復合材料的配方 質量份

1.3 測試與表征

濕熱老化試驗：老化時間10 d，溫度范圍84～86 ℃，相對濕度88%～92%。

真空干燥老化試驗：老化時間10 d，溫度120 ℃。

紫外老化分析按照GB/T 16422.3—2014進行測試，老化時間10 d，溫度45～55 ℃，相對濕度50%～60%。

拉伸性能按照GB/T 1040.1—2006進行測試。

沖擊性能按照GB/T 1843—2008進行測試，樣條尺寸81.0 mm×10.0 mm×4.5 mm。

MFR分析按照GB/T 3682—2000進行測試，時間10 min，溫度230 ℃，負荷2.16 kg。

FTIR分析：溴化鉀(KBr)壓片，掃描范圍4 000～500 cm-1。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能分析

不同老化條件下納米ZnO/HDPE薄膜的拉伸強度如圖1所示。由圖1可以看出，與其他老化環境相比，紫外老化對納米ZnO/HDPE薄膜拉伸強度的影響最大。隨著納米ZnO含量增加，納米ZnO/HDPE薄膜的拉伸強度先降低后升高，當納米ZnO質量份為1.5份時，納米ZnO/HDPE薄膜的拉伸強度達到最大值，當納米ZnO質量份大于1.5份時，納米ZnO/HDPE薄膜的拉伸強度迅速降低。這是因為納米ZnO粒徑小，比表面積很大，可以增強界面相互作用，當納米ZnO的含量過多時，納米ZnO發生團聚現象，產生應力集中。

2.2 沖擊性能分析

不同老化條件下納米ZnO/HDPE復合材料沖擊強度如圖2所示。

由圖2可以看出，未老化時，隨著納米ZnO含量的增加，納米ZnO/HDPE復合材料的沖擊強度基本不變。經過紫外老化、真空老化和濕熱老化后，適量納米ZnO可明顯提高納米ZnO/HDPE復合材料沖擊強度，隨著納米ZnO含量進一步增加，納米ZnO/HDPE復合材料沖擊強度趨于穩定。

與未老化的納米ZnO/HDPE復合材料相比，經過不同老化條件的納米ZnO/HDPE復合材料沖擊強度都呈現下降趨勢，其中，真空老化對純HDPE的沖擊強度影響最大，濕熱老化和紫外老化對純HDPE的沖擊強度影響略小。

2.3 MFR分析

圖3為不同老化條件下納米ZnO/HDPE復合材料MFR的變化。

由圖3可以看出，隨著納米ZnO含量的增加，未老化納米ZnO/HDPE復合材料的MFR緩慢下降，納米ZnO質量份為1.5份時，未老化納米ZnO/HDPE復合材料MFR達到最低。另外，當納米ZnO質量份不超過2.0份時，紫外老化納米ZnO/HDPE復合材料的MFR最大。

2.4 FTIR分析

圖5為納米ZnO質量份為1.5份時，不同老化條件下納米ZnO/HDPE復合材料的羰基透射比。

3 結論

a) 真空老化、濕熱老化和紫外老化均能降低HDPE的沖擊強度；在各種老化條件中，紫外老化對HDPE的性能拉伸強度影響最大。

b) 納米ZnO可以有效改善HDPE的抗老化性能，當納米ZnO質量份為1.5份時，效果最佳。