有机膨润土/聚乙烯母料制备及力学性能研究

许凤林，徐传云，李春生，吕双双，张晓红，於 飞

（浙江省地质矿产研究所，浙江 杭州 310007）

1 前言

聚乙烯因价格低廉，成型加工容易，因而应用面较广。为提高聚乙烯的力学性能，一般可通过物理和化学改性来实现[1]。用矿物材料滑石、碳酸钙、高岭土等高分子填充材料已经有很长的历史，通常主要采用微米级(＜10μm)矿物质填充剂对聚合物进行填充改性。国内外采用层状硅酸盐以及人工合成纳米碳酸钙、二氧化硅等对聚合物进行复合改性具有增强和增韧作用，通过蒙脱石改性聚乙烯塑料将会达到高性能化应用[2-3]。

近几年来，以蒙脱石纳米级分散在聚合物基体中的粘土/聚合物复合制备技术发展很快，在工程塑料、塑料包装材料等领域呈现出良好的应用前景。聚合物熔融挤出法是利用传统挤出加工设备，将高聚物挤出成型工艺与插层技术集于一体，因工艺简单、成本低、易于工业化等优点，与其他纳米复合技术相比具有较强的竞争力。由于蒙脱石等粘土矿物独具的层片状结构，可以通过物理、化学方法将有机阳离子或极性有机分子插入粘土层间，在剪切力作用下将层状蒙脱石剥离成纳米级分散在聚合物基体中。但弱极性聚合物与层状硅酸盐的极性相差很大，因此相容性较差，外加增容剂是改善两者相容性的有效办法[4]。蒙脱石/聚合物熔融插层复合材料影响的因素很多，如蒙脱石的性质、有机改性剂类型、聚合物种类以及加工工艺等[5]，蒙脱石在聚合物基体中的分散性成为影响复合材料性能的关键因素。

2 试验部分

2.1 试验材料

低密度聚乙烯(LDPE2426K)：广东茂名石化；有机膨润土(DK1N)：浙江丰虹新材料股份有限公司；相容剂(接枝聚乙烯)：上海日之升新技术发展有限公司；其他试剂：市售。

2.2 主要设备

高速混合机：江苏江阴； SHJ-36同向平行双螺杆混炼造粒挤出机：江苏南京；ATECH爱科AT200注塑机：杭州爱科；CMT系列微机控制电子万能(拉力)试验机，深圳新三思； XJJ-5简支梁冲击试验机，北京金威鑫；Rigaku D/Max-ⅢB全自动X-衍射仪等。

2.3 母料化制备

固定有机土(DK1N)/低密度聚乙烯(LDPE2426K)配比1∶3，相容剂(接枝聚乙烯)按有机土20%、40%和60%添加，同时加入抗氧剂、分散剂等助剂，采用双螺杆熔融挤出法进行母料制备，编号：母料A、B、C。母料制备方法：有机膨润土、LDPE2426K、相容剂及抗氧剂、分散剂等助剂在高速混合机中预混；预混物在双螺杆挤出机上熔融挤出母料化造粒(图1)。挤出机长径比36，螺杆直径35.5mm，挤出温度为160～185℃，转速为240r/min。

2.4 注射试样制备方法

采用ATECH爱科AT200注塑机将母料与LDPE2426K稀释至有机土含量3%、5%、7%、9%、10%注射样条，基体(LDPE2426K)添加抗氧剂注射样条，注射温度190～210℃，注射压力5～6MPa，保压6MPa。

2.5 复合试样力学性能测定

拉伸试验按GB/T 1040.2-2006测试；弯曲试验按GB/T 9341-2000测试；简支梁冲击试验按GB/T 1043-92测试。

3 结果与讨论

3.1 复合试样的力学性能

下表是不同含量接枝聚乙烯制备母料稀释注射试样的力学性能测定结果。

不同含量接枝聚乙烯制备母料稀释注射试样的力学性能

不同含量接枝聚乙烯制备母料稀释注射试样与基体聚乙烯LDPE2426K试样相比结果如下：

(1)20%接枝聚乙烯制备母料A稀释注射试样：随有机膨润土含量(5%～10%)增加，拉伸强度增加，由10.48MPa提高至11.62MPa(增幅10.9%)；断裂伸长率降低，由145.39%降低至99.95%(图2)；弯曲强度增大，由9.26MPa提高至10.49MPa(增幅11.7%)；弯曲模量增大，由227.09MPa提高至303.85MPa(增幅33.8%)，显示复合试样刚性增大(图3)；冲击强度也有所降低，10%有机膨润土冲击强度为21.56kJ/m2。

(2)40%接枝聚乙烯制备母料B稀释注射试样：随有机膨润土含量(3%～9%)增加，拉伸强度逐渐增大，由10.48MPa提高至12.17MPa(增幅16.1%)；断裂伸长率有所降低，由145.39%最低下降至124.02%，在5%有机土时，断裂伸长率与基体聚乙烯LDPE 2426K持平(图4)；弯曲强度逐渐增大，由9.26MPa提高至11.62MPa(增幅25.5%)；弯曲模量也呈现逐渐增大，由227.09MPa提高至344.16MPa(增幅51.6%)，显示复合试样的刚性逐渐增大(图5)；冲击强度表现为冲不断。

(3)60%接枝聚乙烯制备母料C稀释注射样条：随有机膨润土含量(3%～9%)增加，拉伸强度先增大后持平，由10.48MPa提高至12.16MPa(增幅16.0%)；断裂伸长率有所下降，由145.39%下降至122.17%，下降后略有回升(图6)；弯曲强度由9.26MPa下降至8.22MPa，再逐渐上升至9.23MPa，呈现先降低再上升；弯曲模量由227.09MPa下降至198.71MPa，再逐渐回升至250.1MPa，呈现先降低再上升(图7)；冲击强度表现为冲不断。

(4)比较母料A、母料B和母料C稀释注射试样(5%有机膨润土含量)：母料A、母料B和母料C复合试样的拉伸强度均优于基体LDPE2426K，其中，以母料B复合试样最好；母料A、母料B和母料C复合试样断裂伸长率与基体LDPE2426K相比有所下降或基本持平，以母料B复合试样最好，与基体LDPE2426K持平(图8)；母料A、母料B和母料C复合试样的弯曲强度和弯曲模量与基体LDPE2426K相比，母料B优于LDPE2426K，母料A和母料C有所降低(图9)；冲击强度均表现为冲不断。

3.2 复合试样的X-射线衍射表征分析

针对母料B稀释注射试样(5%和9%有机膨润土)进行了XRD表征分析，并对注射复合试样与有机膨润土(DK1N)进行了对比分析，见图10。

母料B稀释注射试样(5%和9%有机膨润土)XRD分析显示：加入接枝聚乙烯相容剂的母料B稀释注射试样(5%和9%有机膨润土)蒙脱石层状结构特征衍射峰(d001)在谱图中仍然存在，层间距也没有明显增大，显示大分子链的聚乙烯对有机蒙脱石(DK1N)没有形成插层或剥离结构；但加入接枝聚乙烯相容剂有利于蒙脱石在聚乙烯基体中的分散，提高了有机蒙脱石与聚乙烯的相容性，基体与有机蒙脱石的结合力有所增强，这有利于复合试样力学性能的改善与提高。

3 结论

采用双螺杆熔融挤出法制备的有机膨润土/聚乙烯母料，以母料与低密度聚乙烯稀释注射标准试样的力学性能测定表明：40%接枝聚乙烯制备母料稀释注射试样(5%有机膨润土)与基体聚乙烯相比，拉伸强度提高16.1%，弯曲强度提高25.5%，弯曲模量提高51.6%，断裂伸长率与基体聚乙烯持平，冲击强度表现为冲不断；试样的X-射线衍射表征分析显示，有机膨润土/聚乙烯复合体系不易形成插层或剥离结构，但接枝聚乙烯提高了有机膨润土在基体聚乙烯中的分散性，有利于复合试样力学性能的改善与提高。

[1]杜新胜,杨成洁,陈秀娣,等.聚乙烯改性的研究与进展[J].国外塑料,2009,27(9):38-41.

[2]丁仲芬,黄少慧.超细粒子分散相对聚合物材料性能的影响[J].塑料加工,1998,26(3):13-18.

[3]郜华萍,谭惠民.SiO2纳米粒子增强改性聚乙烯力学性能的研究[J].昆明理工大学学报(理工版),2005,30(3):35-37.

[4]陈中华,冯润财.低极性聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料研究进展[J].纳米材料与应用,2007,4(2):16-20.

[5]徐博,郑强.熔融插层法制备聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的调控因素[J].高分子材料科学与工程,2005,21(1):43-47.