树脂酸表面处理绢云母增强回收高密度聚乙烯的研究

陈正年，陶祝庆，肖 浪，王 强，刘兆亮

（南京工程学院材料工程学院，江苏 南京211167）

0 前言

本文采用树脂酸等对绢云母粉进行表面处理后，与RPE、聚乙烯蜡等熔融共混制备高浓度绢云母粉的RPE增强母料，将母料与RPE共混后制备RPE／绢云母复合材料，用于大型波纹管或中空缠绕管生产用原料，实现了废弃PE-HD的回收再利用。

1 实验部分

1.1 主要原料

RPE，牛奶瓶粉碎回收料，江苏圣通环境工程公司；

树脂酸、绢云母粉，工业级，市售；

聚乙烯蜡（PE蜡），YL-100，临安华阳助剂厂。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机，SHR-50A，江苏张家港宏泓机械厂；

双螺杆挤出机，TE-35，科倍隆（科亚）南京机械有限公司；

双辊开炼机，X（S）K-160-320，江苏武进协昌机械有限公司；

对用户的请求进行处理之后，就要建立与之相对应的任务的应用本体，并且执行对相关知识源的连接操作。已创建的应用本体可以在以后用来完成其他类似的任务。在本案例中所创建的应用本体就是如图4所示的应急物流管理本体。

悬臂梁冲击试验机，Zwick 5113，德国Zwick／Roell公司；

电子万能材料试验机，Zwick／Roell Z010，德国Zwick／Roell公司；

静力弯曲试验机，Instron 5500R，英国Instron公司；

熔体流动速率测定仪，Ceast 7026，意大利Ceast公司；

差示扫描量热仪（DSC），DSC204C，德国 Netzsch公司；

扫描电子显微镜（SEM），JSM-6360LV，日本岛津公司。

1.3 样品制备

增强母料的制备：将绢云母粉加入高速混合机，105℃预热5～10min；加入分散剂PE蜡、RPE、树脂酸搅拌约2min后出料，采用双螺杆挤出机共混制得RPE增强母料，一区～七区温度分别为：150、190、190、190、190、180、170℃，机头为190℃，母料中云母的含量约为70%（质量分数，下同）；

RPE／绢云母复合材料的制备：将RPE粒料和增强母料混匀，145℃条件下在双辊开炼机上混炼8min后，在138～145℃条件下压制成4.0mm的RPE／绢云母复合材料片材，在万能制样机上制成标准缺口冲击、拉伸样条及弯曲样条。

1.4 性能测试与结构表征

冲击性能按GB／T 1843—1996进行测试，A型缺口，缺口深度为8mm；

拉伸性能按GB／T 1040—1992进行测试，拉伸速率为50mm／min；

弯曲性能按GB／T 1042—1992进行测试，弯曲跨度60mm，形变速率2mm／min；

熔体流动速率按GB／T 3682—2000进行测试，负荷5kg，温度190℃；

DSC分析：在高纯氮气氛下，先以20℃／min的升温速率由40℃升温至200℃，恒温5min，然后以10℃／min的速率降至50℃；再以10℃／min的速率升温至200℃；

冲击试样断面喷金后，用SEM观察其微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 树脂酸用量对复合材料力学性能的影响

图1 树脂酸用量对RPE／绢云母复合材料力学性能的影响Fig.1 Effect of contents of resin acid on mechanic properties of RPE／sericite composites

由图1可见，绢云母含量为15%的RPE／绢云母复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度和弯曲强度均随树脂酸用量的增加而逐渐提高，当树脂酸用量达到最大值8份时，复合材料的缺口冲击强度为4.58kJ／m2，拉伸强度为28.6MPa，弯曲强度为31.8MPa；继续增加树脂酸用量，复合材料的缺口冲击强度、弯曲强度和拉伸强度则明显下降。当树脂酸用量少时，云母粉表面包覆不完全，云母粉未包覆部分与RPE基体结合差。随着改性剂用量的逐渐增加，云母粉表面包覆面逐渐增大，改性效果不断地变好，故复合材料力学性能逐渐提高。当树脂酸用量在6～8份时，云母粉表面完全包覆，复合材料力学性能最佳。随着树脂酸用量的继续增加，覆盖于云母粉的表面改性剂包覆层变厚，使得云母片相对于RPE基体在外力作用下容易发生滑移，故复合材料力学性能会明显下降。因此，树脂酸改性绢云母的用量在6～8份之间效果佳。

2.2 绢云母粉用量对复合材料力学性能的影响

由图2可知，随着绢云母（处理云母的树脂酸用量为6份）含量的增加，复合材料的缺口冲击强度先升后降，在云母粉含量为15份时达到最大值，为4.08kJ／m2，说明云母粉对RPE有一定增韧作用；而拉伸强度呈线性下降趋势，说明绢云母粉的加入对RPE拉伸性能具有不利影响；弯曲强度先提高后下降，当绢云母用量为25份时达到30.8MPa，说明适量的绢云母对RPE刚性有明显的增强作用。综合复合材料的力学性能可得，用于增强RPE的云母合适用量应为约15份。

图2 绢云母粉用量对RPE／绢云母复合材料力学性能的影响Fig.2 Effect of contents of sericite powder on mechanic properties of RPE／sericite composites

2.3 绢云母用量对复合材料熔体流动性的影响

由表1可见，与纯RPE相比，RPE／绢云母复合材料的熔体流动速率变化不大，约为2.0g／10min，流动性变化不大，因此，对中空挤出缠绕成型不会造成影响。

2.4 RPE／绢云母复合材料的微相结构分析

图3（a）可见断面为“鳞片”状，且存在拉丝结构，说明RPE材料在冲击时断裂面出现了塑性流动，具有良好韧性。图3（b）中绢云母片悬浮在RPE基体中，间隙明显，在冲击作用时发生脱落，说明绢云母片与RPE基体不相容，在冲击时成为应力集中点，使得材料更容易破坏，导致冲击韧性大幅下降。图3（c）中树脂酸改性的绢云母片与RPE基体连成一体，树脂酸上羧基与绢云母表面大量的羟基作用，在云母与RPE相间充当黏合层，起到改善绢云母与RPE基材的相容性作用，可明显提高PRE复合材料的冲击性能。另外，云母粉均匀分散于RPE基体中，绢云母片在RPE基体中以片状形态存在，无板块聚集体存在，说明片状绢云母粉在RPE基体中具有良好的分散性。

表1 RPE及RPE／绢云母复合材料的熔体流动速率Tab.1 Melt flow rate of RPE and RPE／sericite composites

图3 样品冲击断面的SEM照片Fig.3 SEM graphs for impact fracture surfaces of the samples

2.5 RPE／绢云母复合材料的DSC分析

由图4可见，纯RPE的起始结晶温度（Tonset）为133.7℃，最快结晶温度（Tmax）为115.7℃，复合材料的Tonset略有降低，Tmax有所提高，但影响均不明显。与RPE材料熔融焓（ΔHm）相比，树脂酸改性绢云母增强RPE复合材料的ΔHm变小，结晶度由59.4%下降到42.1%，说明树脂酸改性绢云母的加入阻碍了RPE分子链规整排列，使得结晶度有一定程度的降低。DSC分析结果表明，改性云母粉对RPE结晶有阻碍作用，导致其结晶度降低。

图4 纯RPE和RPE／绢云母复合材料的DSC降温曲线Fig.4 DSC cooling curves of pure RPE and RPE／sericite composites

表2 纯RPE和RPE／绢云母复合材料的DSC参数Tab.2 DSC datas of pure RPE and RPE／sericite composites

3 结论

（1）随着树脂酸用量的增加，RPE／绢云母复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度和弯曲强度先升后降，树脂酸最佳用量为6～8份；随着云母粉含量的增加，复合材料的缺口冲击强度和弯曲强度先升后降，而拉伸强度则逐渐下降，云母粉合适用量为15%；

（2）树脂酸改性绢云母片与RPE基体结合紧密且分散均匀，绢云母片在RPE基体中以片状形态存在，无团聚现象；

（3）树脂酸改性绢云母粉对RPE结晶性影响不大；绢云母对RPE复合材料的熔体流动性无明显影响。

［1］Albrecht Kuelpmann，Maged A Osman，Lars Kocher，et al.Influence of Platelet Aspect Ratio and Orientation on the Storage and Loss Moduli of HDPE Mica Composites［J］.Polymer，2005，46（2）：523-530.

［2］Anders Södergård，Kenneth Ekman，Bengt Stenlund，et al.The Influence of EB-crosslinking on Barrier Properties of HDPE-mica Composites［J］.Journal of Applied Polymer Science，1996，59（3）：1709-1714.

［3］Ji-zhao Liang，Quanquan Yang.Mechanical，Thermal，and Flow Properties of HDPE Mica Composites［J］.Journal of Thermoplastic Composite Materials，2007，20（2）：225-236.

［4］Yu-fang Xiang，Zai-chuan Hou，Run Su，et al.The Effect of Shear on Mechanical Properties and Orientation of HDPE／Mica Composites Obtained via Dynamic Packing Injection Molding （DPIM）［J］.Polymers for Advanced Technologies，2010，21（1）：48-54.

［5］蔡维真，方晓萍，郝建伟.云母填充聚丙烯的界面及力学性质的研究［J］.高分子材料与工程，1991，5（5）：55-58.Cai Weizhen，Fang Xiaoping，Hao Jianwei.Effect of the Interface on the Properties of Mica Filled Polypropylene［J］.Polymeric Materials Science and Engineering，1991，5（5）：55-58.

［6］王 磊，谢邦互，杨 伟，等.接枝物包覆合成云母填充聚丙烯复合材料的界面形态及性能［J］.高分子材料学与工程，2009，25（9）：31-34.Wang Lei，Xie Banghu，Yang wei，et al.Interfacial Morphology and Properties of Polypropylene Composites Filled with Grafted Polyolefin Coating Synthetic Mica［J］.Polymeric Materials Science and Engineering，2009，25（9）：31-34.

［7］李 谷，梁庭安，李 赫，等.云母与成核剂复配改性PP［J］.合成树脂及塑料，2010，（1）：27-29.Li Gu，Liang Tingan，Li He，et al.Modification of PP by Mica and Nucleating Agent［J］.China Syntheic Resin and Plastics，2010，（1）：27-29.

［8］胡圣飞，彭少贤，郭文迅，等.PP／云母复合材料力学性能研究［J］.塑料科技，2000，136（2）：13-15.Hu Shengfei，Peng Shaoxian，Guo Wenxun，et al.Study on Mechanical Prorerties of PP／Mica［J］.Plastics Science and Technology，2000，136（2）：13-15.