纳米ZnO/HDPE复合材料的抗老化性能研究

李明 张黎君 智红梅

(河南应用技术职业学院化学工程学院，河南 郑州，450042)

聚乙烯为五大通用塑料之一，具备优良的电绝缘性、优异的耐化学性、很低的吸水率和突出的耐寒性，广泛应用于管道、薄膜、杯子、包装袋、发泡品、绝缘材料等日用品制造领域，在化工工业中占有极其重要的地位，其中，高密度聚乙烯(HDPE)由于可回收再利用的环保特性而备受青睐。HDPE是一种非极性的热塑性聚烯烃，由乙烯通过共聚反应制得，其分子链简单对称，并含有少量支链，结晶度和密度较高，外观呈乳白色颗粒状，除了具有耐热抗寒、化学性能稳定等优点以外，还具有高刚性高韧性等优良的使用性能，具有广泛的应用价值与广阔的发展前景。但在存储、加工、使用过程中，因受到外部光、热、氧等因素的影响，HDPE会产生不同程度的外观变化及性能下降等老化现象，产生巨大的安全隐患[1-6]。因此，需要对HDPE的抗老化性能进行研究以提升其应用价值。

纳米氧化锌(ZnO)作为新型的多功能材料，具有颗粒小、比表面积大、摩擦阻力小、易分散、对紫外线有良好的吸收和散射作用等优点，使其表现出一些特殊功能，如光催化性能、抗菌性能、抗紫外线性能等[7-13]。研究表明，在聚合物中填充纳米ZnO可增强其抗老化性能[14]。目前纳米ZnO的合成已较成熟，因此，下面选用纳米ZnO加入HDPE中，研究不同添加量的纳米ZnO在人工加速真空老化、湿热老化、紫外老化条件下对HDPE材料抗老化性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料与仪器设备

纳米ZnO，分析纯，(克拉玛尔)上海谱振生物科技有限公司；HDPE，5000S，山东金茂塑业有限公司。

注塑机，MA10000II/8400，宁波海天集团股份有限公司；双螺杆挤出机，TSE-52，南京海思挤出装备有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，IRPrestige-21，天津岛津精密机械有限公司；万能试验机，XWW-20A，承德市东来检测仪器有限公司；冲击试验机，JBW-300B，济南力领试验机有限公司；混合机，ZGH-350，常州市亿宝干燥科技有限公司；紫外老化试验箱，ZN-P，长春市智能仪器设备有限公司；紫外可见分光光度计，UV754-PC，济南童鑫生物科技有限公司；熔体流动速率仪(MFR)，SRZ-400D，长春市智能仪器设备有限公司。

1.2 试样制备

将一定质量份的HDPE和纳米ZnO加入混合机中，混合均匀，然后加入双螺杆挤出机，挤出造粒，双螺杆挤出机温度200 ℃，主机转速200 r/min，喂料转速15 r/min，制得了纳米ZnO/HDPE复合材料。采用注塑机将部分纳米ZnO/HDPE复合材料制成标准哑铃型试样，注塑机从料筒到喷嘴温度分别为190，200，210 ℃；将其余部分纳米ZnO/HDPE复合材料制成薄膜。表1为纳米ZnO/HDPE复合材料的配方。

表1 纳米ZnO/HDPE复合材料的配方 质量份

1.3 测试与表征

湿热老化试验：老化时间10 d，温度范围84～86 ℃，相对湿度88%～92%。

真空干燥老化试验：老化时间10 d，温度120 ℃。

紫外老化分析按照GB/T 16422.3—2014进行测试，老化时间10 d，温度45～55 ℃，相对湿度50%～60%。

拉伸性能按照GB/T 1040.1—2006进行测试。

冲击性能按照GB/T 1843—2008进行测试，样条尺寸81.0 mm×10.0 mm×4.5 mm。

MFR分析按照GB/T 3682—2000进行测试，时间10 min，温度230 ℃，负荷2.16 kg。

FTIR分析：溴化钾(KBr)压片，扫描范围4 000～500 cm-1。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能分析

不同老化条件下纳米ZnO/HDPE薄膜的拉伸强度如图1所示。由图1可以看出，与其他老化环境相比，紫外老化对纳米ZnO/HDPE薄膜拉伸强度的影响最大。随着纳米ZnO含量增加，纳米ZnO/HDPE薄膜的拉伸强度先降低后升高，当纳米ZnO质量份为1.5份时，纳米ZnO/HDPE薄膜的拉伸强度达到最大值，当纳米ZnO质量份大于1.5份时，纳米ZnO/HDPE薄膜的拉伸强度迅速降低。这是因为纳米ZnO粒径小，比表面积很大，可以增强界面相互作用，当纳米ZnO的含量过多时，纳米ZnO发生团聚现象，产生应力集中。

2.2 冲击性能分析

不同老化条件下纳米ZnO/HDPE复合材料冲击强度如图2所示。

由图2可以看出，未老化时，随着纳米ZnO含量的增加，纳米ZnO/HDPE复合材料的冲击强度基本不变。经过紫外老化、真空老化和湿热老化后，适量纳米ZnO可明显提高纳米ZnO/HDPE复合材料冲击强度，随着纳米ZnO含量进一步增加，纳米ZnO/HDPE复合材料冲击强度趋于稳定。

与未老化的纳米ZnO/HDPE复合材料相比，经过不同老化条件的纳米ZnO/HDPE复合材料冲击强度都呈现下降趋势，其中，真空老化对纯HDPE的冲击强度影响最大，湿热老化和紫外老化对纯HDPE的冲击强度影响略小。

2.3 MFR分析

图3为不同老化条件下纳米ZnO/HDPE复合材料MFR的变化。

由图3可以看出，随着纳米ZnO含量的增加，未老化纳米ZnO/HDPE复合材料的MFR缓慢下降，纳米ZnO质量份为1.5份时，未老化纳米ZnO/HDPE复合材料MFR达到最低。另外，当纳米ZnO质量份不超过2.0份时，紫外老化纳米ZnO/HDPE复合材料的MFR最大。

2.4 FTIR分析

图5为纳米ZnO质量份为1.5份时，不同老化条件下纳米ZnO/HDPE复合材料的羰基透射比。

3 结论

a) 真空老化、湿热老化和紫外老化均能降低HDPE的冲击强度；在各种老化条件中，紫外老化对HDPE的性能拉伸强度影响最大。

b) 纳米ZnO可以有效改善HDPE的抗老化性能，当纳米ZnO质量份为1.5份时，效果最佳。