相容剂对有机蒙脱土改性聚乙烯塑料性能的影响＊

李翠勤,王 俊,张怀志,方 宏(大庆石油学院化学化工学院,黑龙江大庆,6338;大庆化工研究中心,黑龙江大庆,6338)

相容剂对有机蒙脱土改性聚乙烯塑料性能的影响＊

李翠勤1,王 俊1,张怀志2,方 宏2
(1大庆石油学院化学化工学院,黑龙江大庆,163318;2大庆化工研究中心,黑龙江大庆,163318)

利用相容剂对有机蒙脱土改性聚乙烯塑料进行改性研究,结果表明,加入相容剂后聚乙烯与有机蒙脱土的界面相容性得到改善,颗粒引起的应力集中和产生缺陷的几率大大降低,改性聚乙烯塑料的拉伸强度和断裂伸长率均有不同程度的提高。综合改性聚乙烯塑料的物理性能,相容剂用量在5份左右最佳。

聚乙烯;纳米复合材料;相容剂

聚乙烯(PE)作为一种通用塑料,具有密度小、价格低、加工性能优良、耐化学药品等优点,广泛应用于家电、汽车、包装、建筑等行业。但因其存在力学强度低、成型收缩率大、热变形温度不高等缺点,从而限制了其应用[1]。为了得到工程化的改性PE材料,通常采用在PE中加入层状硅酸盐的方法提高其力学性能和热变形温度,并降低其成型收缩率[2]。由于PE和层状硅酸盐相容性差,一般需要加入聚乙烯-马来酸酐接枝物(PEg MAH)或PE接枝其它极性单体作为相容剂来增强PE与有机蒙脱土(MM T)的相容性[3]。但是,相容剂的加入会影响材料成型后制品的形变,严重影响了制品的质量和外观。本实验研究了相容剂的不同含量对有机蒙脱土增强聚乙烯力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

高密度聚乙烯(HDPE),5300B,大庆石化总厂;十六烷基三甲基氯化铵,AR,天津福晨化学试剂厂;钠基蒙脱土,浙江丰虹粘土化工有限公司;马来酸酐接枝聚乙烯(PEMA),上海日之升新技术发展有限公司。

SHB-3型循环水多用真空泵,郑州杜甫仪器厂;LY-DH 4型报警显示活动式恒温箱,福建省龙溪教学仪器厂;PE-680型红外光谱分析仪, PERK IN-ELMR公司;93006D型球磨机,R igaku公司;RHEOCORD 90型双螺杆挤出机,德国HAAKE公司;INSTRON 4467型材料试验机,英国INSTRON国际有限公司。

1.2 蒙脱土的有机化

称取20g钠基蒙脱土,在强搅拌下分散于1000mL去离子水中,制得蒙脱土悬浊液;称取7g大于钠基蒙脱土离子交换量的十六烷基三甲基氯化铵,在搅拌条件下溶于一定量的去离子水中,配制成溶液。将蒙脱土悬浊液置于80℃恒温水浴中,在搅拌下滴加十六烷基三甲基氯化铵溶液,反应2h;静止24h,将得到的白色沉淀物抽滤,并用去离子水洗至无氯离子存在(AgNO3溶液检验),将白色沉淀物放入烘箱中在70℃下干燥,研磨、过筛,备用。

1.3 HDPE/MM T/PEMA纳米复合材料的制备

利用活化后的有机蒙脱土和一定量的相容剂(马来酸酐接枝聚乙烯PEMA),同高密度聚乙烯(5300B粒状),于170℃下熔融共混;挤出造粒。有机蒙脱土添加量分别为3%、5%、7%;相容剂添加量分别为3%、5%、7%,制得高密度聚乙烯/蒙脱土/马来酸酐接枝聚乙烯纳米复合材料(HDPE/MM T/PEMA纳米复合材料)。

2 结果与讨论

2.1 蒙脱土的结构表征

图1为钠基蒙脱土和有机化蒙脱土的红外谱图。从图1可以看出,有机蒙脱土的红外谱图中仍然存在钠基蒙脱土的特征吸收峰,在波数为3600 cm-1-3640cm-1处出现了O—H伸缩振动峰,在波数为1039 cm-1处出现了Si—O的伸缩振动峰,另外在波数为520 cm-1和465 cm-1处出现了Si—O的弯曲振动峰[4]。从图1(a)中还可以看出,在波数为1638 cm-1处出现了弱的吸收峰,该峰为未烘干的钠基蒙脱土中含的O—H的振动吸收峰。从图1(b)中看出,在波数为2926 cm-1和2851 cm-1处出现了C—H伸缩振动峰,在1471 cm-1处出现了C—H弯曲振动峰,这些特征峰的出现,充分证明有—CH2—和—CH3存在。这些特征峰的出现表明了有机成分已进入蒙脱土层间,钠基蒙脱土已被有机化。

图1 蒙脱土的红外谱图Fig.1 IR spectra ofMM T

2.2 相容剂含量对复合材料拉伸强度的影响

图2表示在蒙脱土含量不变的情况下,相容剂量的变化对体系拉伸强度的影响。从图2可以看出,在蒙脱土的量不变时,复合体系的拉伸强度随相溶剂量增加先增加后减小。而且相容剂的含量在5%时,拉伸强度达到最大值,体系在相容剂的存在下,聚乙烯更容易进入到蒙脱土的片层间,使有机蒙脱土同聚乙烯的结合更为紧密,纳米塑料的拉伸强度也随之增加。

图2 相容剂含量对复合材料拉伸强度的影响Fig.2 The effectof the contentof compatilizeron the stretch strength of ConopsiteM aterials

2.3 相容剂对复合材料断裂伸长率的影响

图3为相容剂对十六烷基三甲基氯化铵活化蒙脱土改性聚乙烯断裂伸长率的影响图。从图3可以看出,相容剂存在与否,复合材料的断裂伸长率都随蒙脱土量的增加而降低;而且在相容剂存在的情况下,断裂伸长率降低的幅度远大于没有相容剂存在的情况,也即在相容剂存在时,蒙脱土同聚乙烯的相容性要比没有相容剂好,蒙脱土插层效果好,进入蒙脱土片层的聚乙烯的量多,因此HDEP和有机蒙脱土片层之间以及插层剂之间物理化学作用更弱[5]。有机蒙脱土的质量百分含量越大,整个复合体系中上述的物理化学作用相对越来越弱,此复合材料在受到轴向拉伸时越容易发生断裂,即此复合材料的断裂伸长率越小。

图3 相容剂对复合体系断裂伸长率的影响Fig.3 The effectof the Compatilizere on the elongation of compound system atbreak

2.4 相容剂对复合材料拉伸强度的影响

从图4中可以看出,复合材料在没有加相容剂的情况下,拉伸强度随蒙脱土含量增加而减小;但加入相容剂后,拉伸强度随蒙脱土含量的增加先增加后减小,在蒙脱土含量为3%时出现一最大值且增加幅度相对较大。相容剂的存在使聚乙烯插层蒙脱土更为容易,而蒙脱土含量在3%时聚乙烯插层蒙脱土效果最佳,拉伸强度出现最大值,这是因为在相容剂存在的情况下,聚乙烯同蒙脱土相互作用明显加强,导致复合体系的拉伸强度明显上升。

图4 相容剂对复合材料拉伸强度的影响Fig.4 The effectof the compatilizeron the stretch strength of compound system

3 结论

相容剂的加入使有机蒙脱土聚乙烯塑料的力学性能均有不同程度的提高,并使得聚乙烯更容易插层于有机蒙脱土,聚乙烯与有机蒙脱土的相互作用明显增强,改性聚乙烯塑料的性能明显提高。

[1] W ang K H,Xu Y S,Chung IJ.Effectof aspect ratio of c lay onm elt estensional p rocessof m aleated po lyethylene/c lay nanocomposites[J]. Po lym erBu lletin,2001,46:499.

[2] 贺爱华,胡友良.聚烯烃/层状硅酸盐纳米复合材料的研究进展[J].石油化工,2002,31 (12):1028-1031.

[3] 李霞,王春艳,方兰,等.聚乙烯/有机蒙脱土复合材料制备与性能研究[J].哈尔滨理工大学学报,2003,8(2):90-93.

[4] V.C.法默著.矿物的红外光谱[M].应育浦,江寿松等译.北京:科学出版社,1982: 262-280.

[5] 王浩江,杨育农,赵建青,等.相容剂对玻璃纤维增强聚丙烯力学性能和形变的影响[J].合成材料老化与应用,2005,34(1):14-17.

Effects of Com pa tib ilizer on Polyethy lene Nanop lastic

L ICui-qin1,WANG Jun1,ZHANG Huai-zhi2,FANG Hong2
(1 Co llege of Chem istry and Chem ical Engineering,Daqing Petro leum Institu te,Daqing 163318, Heilongjiang,China;2 Daqing Chem icalResearch Center,Daqing 163318,Heilongjiang,China)

The effectof compatibilizeron po lyethylene nanop lasticwas studied.The resu lt showed thatcompatibilizer could imp rove the compatibility between polyethylene and organicmontmorillonite,and the p robability of stress concentration and defectsof the composites caused by sm allparticleswere decreased greatly.It cou ld increase the tensile strength and elongation atbreak of the po lyethylene nanop lastic.The best contentof com patibilizer shou ld be 5phr acco rding to them echanicalp ropertiesof the po lyethylene nanop lastic.

po lyethylene;nanocomposite;compatilizer

TB332

2010-03-18

黑龙江省大庆市科技攻关项目