纳米级无机粒子对聚乙烯的增强与增韧

贾海涛(中国石油广东石化化工二部，广东 揭阳 522031)

0 引言

聚乙烯是一种质量优良，并且价格十分低廉的材料，日常生活中聚乙烯的应用范围十分广泛，被应用于各类农业和工业场所。使用聚乙烯所生产的薄膜和塑料容器以及管道等，在日常生活中十分常见。同时，聚乙烯也可以被用来制作高频的绝缘材料。随着近两年石油化工行业的飞速发展，对于聚乙烯这种材料的加工制作水平也在不断提高，但聚乙烯作为一种非极性聚合物质，它与其他无机物和极性高分子的相容性较差，因此会使得聚乙烯的功能性较低。但随着聚乙烯加工制造水平的不断提高，可以采用对聚乙烯进行改性的手段来改善其所本身具有的缺点，这样就可以有效地提高聚乙烯的冲击强度、拉伸强度以及黏结性等特质。

1 聚乙烯介绍

PE是聚乙烯的简称，它是一种通过乙烯单体进行聚合而得到的一种热塑性的树脂材料。聚乙烯树脂的获得渠道十分广泛，并且它的制造价格相对低廉，因此被大量的应用于日常生活以及家用电器的制造中。聚乙烯本身并不会散发刺激性气味，对人体也几乎没有任何毒性，它的触摸手感是蜡质的，同时也具有十分良好的耐低温特性。聚乙烯的化学性质相对稳定，并且能够在多数的酸碱条件下发挥稳定的特点。常温下聚乙烯不溶于一般的溶剂，是一种良好的绝缘体，但同时聚乙烯在化学条件的作用下和机械条件的作用下十分容易发生变化，它的耐热性以及抗老化性也较差。通常依照聚乙烯的密度和物质压力，可以将其分为三类。第一种为低密度聚乙烯，高压聚乙烯，它的简称为LDPE。第二种为高密度聚乙烯，低压聚乙烯，简称为HDPE。第三种为线性低密度聚乙烯，它的简称为LLDPE[1]。

聚乙烯与其他塑料相比，其成型特点相对特别。首先聚乙烯是一种几乎全部晶体的物质，因此聚乙烯的吸湿性能相对较差，不需要对聚乙烯进行特意的干燥处理。同时，聚乙烯具有良好的流动性，它的流动性受压力的影响明显。因此，在对聚乙烯进行塑形的过程中，多采用高压的方式对其进行注射，同时应该保证物质材料的温度要均衡，填充速度不应过低。因此，在对聚乙烯进行塑形的过程中，不应采用冷却口模，因为这样会导致聚乙烯样品在收缩的过程中产生不均匀的现象，从而促使样品的内应力增大。同时，聚乙烯的收缩比例相对较大，该材料的方向选择相对明显，是一种容易发生形变翘曲的材料。因此，在对聚乙烯进行冷却的过程中，应当确定操作速度较慢，同时成型的模具应当具有相应的冷却系统。在对聚乙烯进行加热的过程中，应当严格地控制其加热时间，过长时间的加热会导致聚乙烯发生分解的现象。在聚乙烯成型的过程中，有可能发生熔体破裂的现象。因此，在操作的过程中，应该严格地避免其与有机溶液发生接触的情况，否则容易出现熔体开裂的现象。当软质的塑料样品，其表面具有较浅的凹槽时可以在操作的过程中进行强制脱模的操作。

根据聚乙烯在生产过程中所采用的压力状态，可将其分为高压操作、中压操作和低压操作三种方式。采用高压的操作方式，可以生产出低密度的聚乙烯。这种方法开发时间较早，并且应用于实践的时间较久，并且在当前的聚乙烯市场生产的过程中占有大部分的比重。随着聚乙烯制造水平的不断进步，同时大量的催化剂也在被不断研发，这种高压的生产聚乙烯的手段其生产速度已经低于低压的操作方式。低压的聚乙烯生产方式可分为，淤浆法、气相法和溶液法三种方式，中国在生产聚乙烯的过程中低压法主要使用淤浆法这种生产方法[2]。

2 纳米级无机粒子对聚乙烯的增强与增韧的过程

为了有效地提高线性低密度聚乙烯的冲击强度等特性，通常采用改性的方式来对线性低密度聚乙烯进行相应的处理。在对线性低密度聚乙烯的增强与增韧的过程中，首先需要对无机填料进行相应的研磨和干燥。随后对混合偶联剂和分散剂进行活化处理，再按照母料所需的质量，加入基体线性低密度聚乙烯，然后均匀混合所投入的物料得到相应的母料。此时按照不同的比例对所得出的母料和线性低密度聚乙烯进行相应的混合操作，随后便得到所需用的改性线性低密度聚乙烯。

以往采用聚合物对线性低密度聚乙烯进行填充，主要是为了降低线性低密度聚乙烯的制作成本。随着线性低密度聚乙烯制造水平的不断提高，纳米技术的应用水平也在不断发展，这就有效地促进了线性低密度聚乙烯的制作手段得到了相应的更新。将纳米级的粒子填充到线性低密度聚乙烯的聚合物中，可以使得线性低密度聚乙烯的性能得到明显的提升。利用微米级的碳酸钙和二氧化碳以及纳米级的氮化硅粒子对DPE进行相应的填充，从而得到改性后的聚乙烯。改性后的线性低密度聚乙烯其冲击强度以及拉伸强度得到了明显的提高，同时其断裂的生产率也有了明显的增加。

在进行线性低密度聚乙烯的改性操作前，需要先对粒子直径为20 nm的氮化硅进行相应的处理。首先需要用1.5%的1～3 μm直径的碳酸酯对氮化硅进行处理，将碳酸酯溶于异丙醇溶液中，在对氮化硅进行石体研磨的过程中，使溶液与其进行混合，研磨的时间为45 min。研磨后应将其置于110℃的环境中，烘烤2 h以备使用。

在对所需材料进行相应的处理后，便可以对聚乙烯进行改性的操作。首先，将LLDPE加入温度为120℃的双锟筒开炼机中，进行锟压的操作。待LLDOE熔化，并且附着于锟筒上形成相应的膜片时，缓慢地加入相应的填料进行塑炼。6～10 min时，进行拉片，可以采用液压机对其压制形成相应的板材。液压机的压力应当控制于70 MPa，操作时的温度应当控制于170℃左右，加热3 min，并且对其进行加压12 min的处理，期间可以进行一到两次的放气操作。所得到的改性线性低密度聚乙烯应放置于10 Pa的气压中冷却至70℃。随后再取出该材料将其放置于室温中进行相应的自然冷却。所得材料需要使用万能制样机对其进行制样，使其被塑造为方便测试性能的形状，最后便可以对所得材料进行相应的性能测试。

3 纳米级无机粒子对聚乙烯的增强与增韧的结果

3.1 填充LDPE的冲击强度

当采用碳酸钙、二氧化钛和碳酸硅对线性低密度聚乙烯进行填充时，不同的填充量会对LLDPE的冲击强度有着明显的影响。采用碳酸钙作为填料时，随着填充量的质量分数不断提高，线性低密度聚乙烯整体的冲击强度会逐步下降。采用二氧化钛作为填料时，随着填充量的质量分数不断提高，聚乙烯整体的冲击强度也会逐步下降。并且与在填充量的质量分数相同时，填料为二氧化钛的LLDPE比填充料为碳酸钙的LLDPE冲击强度低。采用碳化硅或是氮化硅的填充料的LLDPE的冲击强度会在填料质量分数为5%时最高，当填充量的质量分数大于5%，LLDPE的冲击强度会明显降低。

3.2 填充LLDPE的拉伸强度

当采用碳酸钙、二氧化钛和碳酸硅对聚乙烯进行填充时，不同的填充量会对LLDPE的拉伸强度有着明显的影响。采用二氧化钛作为填料时，随着填充量的质量分数不断提高，聚乙烯整体的拉伸强度会逐步下降。采用碳酸钙作为填料时，LLDPE的拉伸强度在碳酸钙的添加量质量分数为3%左右时，有着小幅度的提高，随后便会随着质量分数的增加其拉伸强度会明显降低。采用碳化硅或氮化硅作为填料时，LLDPE的拉伸强度仍在填料的质量分数为5%左右时，表现出最大值。此时LLDPE的拉伸强度为24.8 mPa，是纯LLDPE11.7 MPa的两倍之多，随后随着填充料的不断增加，LLDPE拉伸强度也会明显降低。

这三种填料在添加量不同时，LLDPE的断裂伸长率也会有着相应的变化。采用二氧化钛作为填料时，随着填充量的质量分数不断提高，线性低密度聚乙烯整体的断裂伸长率会逐步下降。采用碳酸钙作为填料时，LLDPE的拉伸强度在碳酸钙的添加量质量分数为5%左右时，有着小幅度的提高，随后便会随着质量分数的增加其断裂伸长率会明显降低。采用碳化硅或氮化硅作为填料时，LLDPE的断裂伸长率仍在填料的质量分数为5%左右时，表现出最大值。此时LLDPE的断裂伸长率在在625%的状态下，仍未出现断裂的现象。这个数值与纯LLDPE的500%断裂伸长率相比也有着明显的提高。随后随着填充料的不断增加，LLDPE断裂伸长率也会明显降低。

为了有效地提高高分子材料本身所具有的特性，当前广泛采用增韧和增强的方法。该方法将橡胶弹性体粒子加入硬性塑料中，这样便可以大幅度地提高聚乙烯的冲击强度，但这种操作会在一定程度上降低该材料的拉伸强度。若是往材料中添加增强纤维，线性低密度聚乙烯的拉伸强度虽然可以大幅度的得到提高，但是该材料的冲击强度，尤其是断裂伸长率的数值会明显下降。近年来在采用高分子材料对线性低密度聚乙烯与进行改性的过程中，可以采用液晶聚合物对其进行原位复合自增强的处理，这样便可以使得线性低密度聚乙烯的拉伸以及冲击强度均得到明显的改善，但采用这种方法，其断裂伸长率仍会有一定程度的下降。

4 结语

采用微米级的碳酸钙、二氧化钛粒子对LLDPE进行改性的操作，虽然不会使得线性低密度聚乙烯有着明显的增强增韧的效果，但也不会使得该材料的机械性能明显的降低。在将填料质量分数控制在一定范围的情况下，纳米级的碳化硅或是氮化硅可以明显地实现LLDPE增强增韧的效果，使得填充LLDPE的冲击强度和拉伸强度可以得到显著的提高，其断裂伸长率也会增强25%左右。