滑石粉填充聚乙烯复合材料的力学性能.pdf

Technology79 2023.08HARDWARE2023.08HARDWARE引言聚乙烯按照密度的不同大体上可以分为低密度聚乙烯(LDPE，其中也包含线性低密度聚乙烯，简称 LLDPE)、中密度聚乙烯(MDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)，由于具有优异的耐化学性、质轻强度高、韧性好、可循环回收等特点，是一种综合性能优良的树脂，在工业和民用上得到广泛的应用。例如，近年来部分企业以聚乙烯树脂等为主原料、配备五金配件等开发出了滑石粉填充聚乙烯复合材料的力学性能Mechanical properties of polyethylene composites filled with talc powder摘 要：考察了滑石粉分别对高密度聚乙烯和线性低密度聚乙烯两种不同填充体系复合材料的力学性能影响。结果表明，聚乙烯复合材料体系的弯曲模量和弯曲强度随滑石粉含量的增加而增加，拉伸强度在滑石粉含量 21%时达到最大值，而断裂伸长率，缺口冲击强度则总体呈现下降趋势，滑石粉的填充量应综合考虑复合材料体系的刚韧平衡，其填充量在 14%左右时综合性能较为优异。关键词：滑石粉；高密度聚乙烯；低密度聚乙烯；复合材料；力学性能AbstractThe effects of talcum powder on the mechanical properties of composites with different high-density polyethylene and linear Low-density polyethylene systems were investigated.The results show that the flexural modulus and flexural strength of PE composites increase with the content of talc,the tensile strength reaches the maximum value when the content of talc is 21%,and the elongation at break increases with the content of talc,the impact strength of the notched material will decrease.The balance of toughness and rigidity should be considered when the amount of talc is about 14%.Keywords:talc；high-density polyethylene；low-density polyethylene；composite；mechanical properties可用于储存或承载作业工具、零部件等用途的塑料工具箱柜，在工业和民用五金领域可部分替代原有不锈钢箱柜，由于其耐腐蚀、重量轻、安装方便等优点，得到了市场的认可和青睐，并形成了团体标准1。为进一步降低成本和提升部分性能，常采用无机刚性粒子对聚乙烯树脂进行填充改性，以获得刚性、耐热性、尺寸稳定性、阻隔性等更加优异的复合材料体系。滑石粉作为一种廉价易取的无机材料，最大的优势是其微观形貌具有层状胡亮亮1刘鸿博2黄剑锋1HULiangliang1LIUHongbo2HUANGJianfeng11.公元管道（安徽）有限公司安徽广德2422002.辽宁省产品质量监督检验院辽宁沈阳1101441.ERA PiPing(AnHui)Co.,Ltd.Guangde 2422002.Liaoning Quality Supervision and Inspection Institute Shenyang 110144echnology技术论坛80 2023.08HARDWARE2023.08HARDWARE结构和硬度低的特点，前者在一定程度上可使填充塑料的刚性、耐热性提高，而后者可大大减轻填充塑料在加工过程中物料对所接触的机械设备、模具的磨损2。本文着重研究、考察滑石粉含量对填充线性低密度聚乙烯和填充高密度聚乙烯两种不同复合体系力学性能的影响。1 试验部分1.1 原材料HDPE，牌号HFI5110，伊朗阿里亚萨索尔石化公司；LLDPE，牌号 DFDA-7042，中石化镇海炼化分公司；滑石粉，D97 平均粒径约 20m，产地：辽宁海城；铝酸酯偶联剂、硬脂酸、聚乙烯蜡，均为市售。1.2 主要仪器和设备聚烯烃填充母料造粒机，江苏鸿运翔橡塑机械有限公司；注射成型机，MK110，苏州轩达机械设备有限公司；电子万能试验机，WDT-W，河北承德精密试验机有限公司；摆锤式冲击试验机，JC-50D，河北承德精密试验机有限公司。1.3 试样制备首先采用铝酸酯偶联剂对滑石粉进行表面处理，然后按照比例与聚乙烯树脂、分散助剂等混合，通过密炼机进行熔融共混，经提升机输送至喂料斗，在强制喂料螺杆作用下经单螺杆挤出造粒。密炼温度175-185，挤出机温度 180-200，螺杆转速35rmin-1。滑石粉在聚乙烯复合体系中的质量添加分数分别为 7%、14%、21%、28%、35%。聚乙烯/滑石粉复合材料体系经 80、2h 干燥后采用注塑机分别制成拉伸、弯曲、冲击样条，样条尺寸符合 GB/T 1040.2-2006塑料拉伸性能的测定 第 2 部分：模塑和挤塑塑料的试验条件的要求，试验流程见图 1 所示。聚乙烯树脂、滑石粉、助剂 密炼混合 单螺杆挤出造粒 注塑制样 性能测试图 1 试验流程1.4 性能测试拉伸性能：按照 GB/T 1040.2-2006 测试，拉伸速率 50mmmin-1弯曲性能：按照 GB/T 9341-2008 测试冲击性能：按照 GB/T 1843-2008 测试，悬臂梁缺口冲击，232（）2 结果与讨论2.1 拉伸性能从图 2 可以看出滑石粉含量对聚乙烯复合材料体系拉伸强度的影响。随着滑石粉含量的增加，不论是低密度聚乙烯抑或是高密度聚乙烯，其复合材料体系的拉伸强度值均呈现上升的趋势，这主要是由于滑石粉经过偶联剂表面处理后，增强了与聚乙烯树脂界面的结合强度。滑石粉对塑料产品显著的增强作用主要来自于其独特的微观片状结构，在复合体系中加工后的滑石粉，片状结构保持的越完整，其增强效果越明显3，从而在一定程度上可以对体系的拉伸强度具有提升作用。从图 2 可以看出，当滑石粉含量在 21%时，聚乙烯复合体系拉伸强度均达到峰值，同比未增强前：其中 7042 体系拉伸强度提高约 23%，5110 体系拉伸强度提高约 21%，但当体系中滑石粉含量超过 21%以后，复合体系的拉伸强度总体上呈现下降趋势，但拉伸强度仍旧高于未填充前聚乙烯树脂的拉伸强度，滑石粉对于体系的增强改性效应是比较明显的。图 2滑石粉含量对聚乙烯复合体系拉伸强度的影响 图 3滑石粉含量对聚乙烯复合体系断裂伸长率的影响Technology81 2023.08HARDWARE2023.08HARDWARE从图 3 可以看出滑石粉含量对聚乙烯复合材料体系断裂伸长率的影响。随着滑石粉含量的增加，复合体系的断裂伸长率总体上呈现下降趋势，对于 7042 体系，其断裂伸长率逐步下降，但仍旧会远高于 5110 体系。对于7042 体系，甚至在滑石粉含量达到 35%时，其断裂伸长率仍旧可以达到 350%左右，这与 7042 为线性低密度聚乙烯所具有的优异韧性有关。对于5110体系，从图3看出，在滑石粉含量在 14%及以下时，其断裂伸长率有小幅的上升，当滑石粉含量超过 21%以后，体系的断裂伸长率则急剧下降。这主要是由于在聚乙烯复合体系中，滑石粉虽然通过表面处理，但仍旧会存在不少结合弱界面4，对于体系的韧性会产生不利影响，这种情况一方面与滑石粉的微观形貌、粒径、添加比例等有关，另一方面也与表面处理效果关联程度很大，因此配方设计时滑石粉的添加量应综合考虑，一般建议采用低填充比例。2.2 弯曲性能从图 4 和图 5 可以看出滑石粉含量对聚乙烯复合材料体系弯曲模量和弯曲强度的影响。从图 4 可以看出，滑石粉对于聚乙烯复合体系的增刚作用非常明显，在滑石粉含量为 14%以上时增幅较大，与聚乙烯属性差异的关联性并不大。随着滑石粉含量的增加，不论是 7042 体系还是 5110 体系，其弯曲模量的增加几乎成线性比例，这与滑石粉作为无机刚性粒子所具有的特性以及其特殊片状增强结构是分不开的。图 4滑石粉含量对聚乙烯复合体系弯曲模量的影响 图 5滑石粉含量对聚乙烯复合体系弯曲强度的影响从图 5 可以看出，滑石粉对于复合体系弯曲强度的影响趋势基本上也类同于体系弯曲模量的影响，即随着滑石粉含量的增加，复合体系的弯曲强度增加。2.3 冲击性能从图 6 可以看出滑石粉含量对聚乙烯复合材料体系图 6滑石粉含量对聚乙烯复合体系悬臂梁缺口冲击强度的影响echnology技术论坛82 2023.08HARDWARE2023.08HARDWARE悬臂梁缺口冲击强度的影响。随着滑石粉含量的增加，聚乙烯复合体系的缺口冲击强度均呈现下降趋势，总体上，7042 体系冲击强度要优于 5110 体系，这与 7042 为线性低密度聚乙烯所具有的优异冲击韧性是有直接关系的，当滑石粉含量达到 35%及以上时，两者体系的冲击强度基本接近一致，差异并不明显。从图 6 可以看出，当滑石粉含量在 14%左右时，即使对于高密度聚乙烯5110 体系，其缺口冲击强度还有近 50kJm-2，这仍旧属于韧性比较良好的材料。无机填料对填充体系力学性能的影响随填料颗粒大小、聚集形态和表面处理的不同而异5，形成冲击强度下降这种现象可能的原因是滑石粉颗粒在体系中分散不足、粒径过大甚至片状结构不完善，与聚乙烯基体树脂存在结合弱界面和应力集中点，在受到外界冲击时，复合体系两相结构并未引发足够的剪切“银纹”带，未形成有效吸收冲击变形能力导致。3 结论（1）随着滑石粉含量的增加，聚乙烯复合材料体系的拉伸强度逐步增加，当滑石粉含量在 21%左右时，拉伸强度达到峰值，同比未增强聚乙烯树脂，拉伸强度提高约 21%-23%，断裂断伸长率总体上则随滑石粉含量的增加呈现下降趋势，滑石粉的填充量应根据材料的性能要求进行合适的配方设计和选择，一般建议控制在较低的填充量，综合考虑在 14%左右比较适宜。（2）随着滑石粉含量的增加，聚乙烯复合材料体系的弯曲模量、弯曲强度增幅较大，基本上呈线性增加比例，与聚乙烯树脂是否是线性低密度还是高密度并无关联，其中弯曲模量随滑石粉含量的增幅比较明显。（3）随着滑石粉含量的增加，聚乙烯复合材料体系的缺口冲击强度呈现下降趋势，也再次表明聚乙烯复合材料体系中滑石粉含量应合理控制，兼顾到刚性和韧性两者性能的平衡性。参考文献：1 T/STIA 1-2017 塑料工具箱柜通用技术条件 S.2 刘英俊.粉体材料在塑料中的应用现状与展望 J.中国非金属矿工业导刊,2008,69(4):3-8.3 朱建军,徐同考.无机 粉 体在塑料中的应用A.2015 年中国非金属矿科技与市场交流大会论文集C.2015.4 王正祥,李文莲,谢安全,等.滑石粉等填充改性高密度聚乙烯的性能研究 J.包装学报,2010,2(2):11-13 5 岳名正.滑石粉填充 HDPE 的研究 J.塑料加工，1989(2):28-31.（收稿日期：2023-7-18）作者简介：胡亮亮，男，1984年生，高分子材料专业，本科学历，主要从事塑料管道配方，工艺及技术研发工作。刘鸿博，男，1982 年 4 月生人，汉族，高级工程师，研究方向为塑料管道相关产品检测技术及应用研究。黄剑锋，男，1989年生，高分子材料专业，本科学历，主要从事塑料管道研发与管理工作。