无机纳米粒子结合抗氧化剂改性HDPE及性能.pdf

2 0 2 3年8月2 0 2 3,3 5(4)MO D E R NP L A S T I C SP R O C E S S I N GAN DA P P L I C A T I ON S收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 3;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 5-2 5。作者简介:赵宏泽(1 9 7 6),男,本科,工程师,主要从事塑料加工方面的研究。基金项目:广东省塑料包装容器工程技术研究中心建设项目课题(2 0 1 6 0 9 2 0)。无机纳米粒子结合抗氧化剂改性HDP E及性能赵宏泽1 陈照春2 王栓紧3 黄齐飞4(1.广州丽盈塑料有限公司,广东 广州,5 1 0 0 0 0;2.福建省特种设备检验研究院,福建 福州,3 5 0 0 0 0;3.中山大学化学学院,广东 广州,5 1 0 0 0 6;4.福州大学石油化工学院,福建 福州,3 5 0 1 0 8)摘要:针对传统高密度聚乙烯(HD P E)材料硬度不足、热稳定性较差的问题,提出一种无机纳米粒子和抗氧化剂共同改性HD P E的方法。当HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时,HD P E/纳米硫酸钠复合材料拉伸强度为2 7.1 5MP a;加入了抗氧化剂的HD P E/纳米硫酸钠复合材料热氧老化2 0d后,断裂伸长率和拉伸强度分别为3 6.0%和3 9.5 0MP a,热稳定性明显增强。经过增强的HD P E,拉伸强度和热稳定性均表现良好,可以作为包装行业的备选材料使用。关键词:高密度聚乙烯 抗氧化剂 热稳定性 无机纳米粒子D O I:1 0.1 9 6 9 0/j.i s s n 1 0 0 4-3 0 5 5.2 0 2 3 0 0 1 7T h eM o d i f i c a t i o no fH i g hD e n s i t yP o l y e t h y l e n eb yI n o r g a n i cN a n o p a r t i c l e sC o m b i n e dw i t hA n t i o x i d a n t sa n dP r o p e r t i e sZ h a oH o n g z e1 C h e nZ h a o c h u n2 W a n gS h u a n j i n3 H u a n gQ i f e i4(1.G u a n g z h o uL i y i n gP l a s t i c sC o.,L t d.,G u a n g z h o u,G u a n g d o n g,5 1 0 0 0 0;2.F u j i a nS p e c i a lE q u i p m e n t I n s p e c t i o na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e,F u z h o u,F u j i a n,3 5 0 0 0 0;3.S c h o o l o fC h e m i s t r y,S u nY a t-s e nU n i v e r s i t y,G u a n g z h o u,G u a n g d o n g,5 1 0 0 0 6;4.S c h o o l o fP e t r o c h e m i c a lE n g i n e e r i n g,F u z h o uU n i v e r s i t y,F u z h o u,F u j i a n,3 5 0 1 0 8)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fl o w h a r d n e s sa n dp o o rt h e r m a ls t a b i l i t yo fo r d i n a r yh i g h d e n s i t y p o l y e t h y l e n e(HD P E),a m e t h o d o f m o d i f y i n g HD P E w i t hi n o r g a n i cn a n o p a r t i c l e sa n da n t i o x i d a n t sw a sp r o p o s e d.Wh e nt h em a s s r a t i oo fHD P Et on a n os o d i u m s u l f a t ei s91,t h et e n s i l es t r e n g t h o f HD P E/n a n o s o d i u m s u l f a t ec o m p o s i t e s i s2 7.1 5 MP a.A f t e r2 0d a y so ft h e r m a lo x i d a t i v ea g i n g,t h ee l o n g a t i o na tb r e a k a n d t e n s i l e s t r e n g t h o f HD P E/n a n o s o d i u m s u l f a t e c o m p o s i t e s w i t h a d d e da n t i o x i d a n t s a r e 3 6.0%a n d 3 9.5 0MP a,r e s p e c t i v e l y,i n d i c a t i n g a s i g n i f i c a n te n h a n c e m e n t i n t h e r m a l s t a b i l i t y.E n h a n c e dHD P Ee x h i b i t s e x c e l l e n t t e n s i l e s t r e n g t ha n dt h e r m a l s t a b i l i t y,m a k i n g i t a na l t e r n a t i v em a t e r i a l f o r t h ep a c k a g i n g i n d u s t r y.K e yw o r d s:h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e;a n t i o x i d a n t;t h e r m a l s t a b i l i t y;i n o r g a n i c n a n o p a r t i c l e 高密度聚乙烯(HD P E)因其价格低廉、耐低温能力强,在包装领域使用广泛。但传统HD P E材料存在硬度不足、耐热老化性能较差的问题,因此,需要对HD P E性能进行优化。对此,部分学者也进行了很多研究,如刘小枚等1以椰棕纤维和费托蜡对HD P E进行增强,发现质量分数4 0.0%的椰 棕 纤 维 加 上 质 量 分 数1.5%的 费 托 蜡 对HD P E的增强效果最好,其拉伸强度、弯曲强度和冲 击 强 度 较 未 添 加 时 分 别 提 高 了8.7 8%,1 8.8 2%,4 6.5 8%;梁尔珊等2则通过木薯秸秆粉对HD P E进行增强,木薯秸秆粉对HD P E的冲击强度产生了不良影响;浦行佳等3则通过有机插层蛭石对HD P E进行改性,有机插层蛭石虽然能改善HD P E的硬度和韧性,但对其冲击强度会产生负面影响。另有研究人员制备了一种超高相对分子质量的聚乙烯(P E)/HD P E共混物,提升8 赵宏泽等.无机纳米粒子结合抗氧化剂改性HD P E及性能试验研究了HD P E的冲击强度4-5。以下通过在HD P E中添加 无 机 纳 米 粒 子 和 抗 氧 化 剂,在 提 高 传 统HD P E材料 力 学 性 能 的 同 时,增 强 其 耐 热 老 化性能。1 试验部分1.1 主要原料及仪器设备HD P E,D L-1 2,德州森泰土工材料有限公司;纳米硫酸钠,分析纯,济南卓越化工科技有限公司;硅烷偶联剂(KH-5 7 0),分析纯,济南兴隆达化工有限公司;抗氧化剂,1 0 1 0,东莞市邦钛化工原 料 有 限 公 司;无 水 乙 醇,山 东 丰 仓 化 工 有 限公司。电热鼓风烘箱,1 0 1-3 A,鹤壁市伟琴仪器仪表有限公司;双螺杆挤出机,S Y-6 2 1 7,东莞市世研精密仪器有限公司;高分子材料拉伸机,F OHU-7 5,广州市普同实验分析仪器有限公司;差示扫描量热仪(D S C),WK T S-R C 5 0 0,江苏维科特仪器仪表有限公司;热重分析仪(T G),T GA-1 3 5 0,上海发瑞仪器科技有限公司。1.2 样品制备将HD P E和纳米硫酸钠放入电热鼓风烘箱中,在9 0下烘干4h。将KH-5 7 0与无水乙醇按照质量比1 1 0 0混合,得到混合溶液。试验组1将混合溶液根据表1的配方6制备改性HD P E,充分搅拌。试验组2在表1配方的基础上各加入1 0g抗氧化剂。将试验组1和试验组2得到的样品在1 0 0下烘干4h。用双螺杆挤出机进行挤出造粒,然后注塑样条。试验组1得到的样品编号分别记为1#6#。试验组2得到的样品编号分别记为7#1 2#。表1为样品配方。表1 样品配方g样品编号HD P E纳米硫酸钠KH-5 7 01#8 0 004 02#7 2 08 04 03#6 4 01 6 04 04#5 6 02 4 04 05#4 8 03 2 04 06#4 0 04 0 04 01.3 性能测试力 学 性 能 按 照G B/T 1 0 4 0.22 0 2 2进 行测试7-8。结晶度(Xc)分析:通过D S C对样品的Xc进行分析,Xc表达式9如下。Xc=HmH1 0 0m1 0 0%(1)式(1)中:Hm为P E的 熔 融 焓;H1 0 0m为1 0 0%结晶P E的Hm,取值2 8 7.3J/g。T G分析:在氮气气氛下,以1 0/m i n的速率从5 0升温至5 5 0。热氧老化试验:将样品放入电热鼓风烘箱内,在1 2 0下老化,然后进行抗氧老化测试。2 结果与讨论2.1 纳米硫酸钠对H D P E性能的影响2.1.1 拉伸性能分析表2为HD P E/纳米硫酸钠复合材料的拉伸性能。表2 H D P E/纳米硫酸钠复合材料的拉伸性能MP a样品编号拉伸强度拉伸模量1#2 5.4 312 7 02#2 7.1 511 0 03#2 5.8 511 7 74#2 2.3 512 5 55#2 1.0 513 1 16#2 0.0 016 5 0 由表2可知:当HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时(2#样品),HD P E/纳米硫酸钠复合材料的拉伸强度达到最高点,为2 7.1 5MP a,拉伸模量为11 0 0MP a。纳米硫酸钠过多时,其分散程度变差,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的拉伸强度开始下降1 0-1 1。2.1.2 D S C分析图1为不同升温速率下1#6#样品的D S C分析。从图1可以看出,1#6#样品的D S C曲线均只存在一个放热峰,说明不管是提高升温速率还是提高纳米硫酸钠含量,HD P E原来的结晶性质均不发生改变。同时,升温速率越大,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的结晶峰温度区域越宽。在相同升温速率下,随着纳米硫酸钠含量的增加,结晶速率增大,结晶峰温度的变化趋势为先升高后92 0 2 3年8月2 0 2 3,3 5(4)MO D E R NP L A S T I C SP R O C E S S I N GAN DA P P L I C A T I ON S降低,这是因为纳米硫酸钠含量越高,高聚物与纳米硫酸钠间的相互作用越强,改变了基体HD P E的结晶过程1 2。纳米硫酸钠含量增加,升温速率提高,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的开始结晶温度、结晶峰温度和 结 束 结 晶 温 度 均 朝 低 温 方 向移动。图1 不同升温速率下1#6#样品的D S C分析2.1.3 热稳定性分析图2为2#样品的T G分析。图2 2#样品的T G分析从图2可以看出:当HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时(2#样品),热降解过程为一阶降解,降解主要发生在4 2 04 8 5。提高升温速率,2#样品的T G曲线缓慢朝高温方向移动,出现明显的热滞后效应。且质量保留率也随着升温速率的增加 在 不 断 减 少,最 后 逐 步 趋 于 稳 定。说 明HD P E/纳米硫酸钠复合材料随着温度的升高,最后逐步趋于热稳定1 3。2.2 抗氧化剂对H D P E/纳米硫酸钠复合材料性能的影响2.2.1 拉伸性能分析选取2#样品 与8#样品分 析 抗 氧 化 剂 对HD P E/纳米硫酸钠复合材料拉伸性能的影响,见表3。表3 抗氧化剂对H D P E/纳米硫酸钠复合材料拉伸性能的影响时间/d断裂伸长率/%拉伸强度/MP a2#样品8#样品2#样品8#样品03 5.83 6.03 8.0 03 8.8 01 03 5.73 6.23 8.2 03 9.1 02 03 5.23 6.03 8.1 03 9.5 03 03 3.73 4.83 7.9 03 9.4 04 03 2.13 2.33 7.5 03 9.2 05 02 6.52 7.13 5.7 03 8.5 0 从表3可以看出:未加入抗氧化剂的HD P E/纳米硫酸钠复合材料(2#样品)随老化时间的增加,断 裂 伸 长 率 逐 渐 降 低。加 入 抗 氧 化 剂 的HD P E/纳米硫酸钠复合材料(8#样品),断裂伸长率随老化时间的增加有小幅度上升,然后再下降。老化时间为2 0d时,8#样品断裂伸长率和拉伸强度分别为3 6.0%和3 9.5 0MP a。当老化时间超过3 0d后,加入抗氧化剂的HD P E/纳米硫酸钠复合材料(8#样品)拉伸强度开始缓慢下降,说明经过抗氧化剂改性后,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的拉伸强度得到明显改善。01 赵宏泽等.无机纳米粒子结合抗氧化剂改性HD P E及性能试验研究2.2.2 热稳定性分析选取2#样品 与8#样品分 析 抗 氧 化 剂 对HD P E/纳米硫酸钠复合材料热稳定性的影响,见表4。表4 抗氧化剂对H D P E/纳米硫酸钠复合材料热稳定性的影响时间/d2#样品8#样品T5%/T9 0%/Tm a x/T5%/T9 0%/Tm a x/04 5 7.44 9 0.24 7 9.64 5 6.04 8 7.54 7 7.02 04 5 8.04 9 0.04 7 9.44 5 7.84 8 8.44 7 7.64 04 5 7.64 9 0.34 7 9.64 5 6.94 8 6.74 7 6.9 注:T5%是样品分解5%的温度;T9 0%是样品分解9 0%的温度;Tm a x是样品完全分解的温度。从表4可知,抗氧化剂对HD P E/纳米硫酸钠复合材料的峰温影响不大。3 结论 a)当HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时,HD P E/纳 米 硫 酸 钠 复 合 材 料 拉 伸 强 度 为2 7.1 5MP a。b)HD P E/纳米硫酸钠复合材料的结晶速率随纳米硫酸钠含量的增加而增大。c)HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的热降解过程为一阶降解,降解主要发生在4 2 04 8 5。随着升温速率提高、纳米硫酸钠含量的增加,HD P E/纳米硫酸钠复合材料的结晶速率增大、开始结晶温度、结晶峰温度和结束结晶温度均朝低温方向移动。d)HD P E与纳米硫酸钠质量比为9 1时,加入了抗氧化剂的HD P E/纳米硫酸钠复合材料热氧老化2 0d后,断裂伸长率为3 6.0%,拉伸强度为3 9.5 0MP a,表现出更好的热稳定性。参 考 文 献1 刘小枚,李秋影,吴驰飞.椰棕纤维/高密度聚乙烯复合材料的制备与性能J.塑料工业,2 0 2 2,5 0(6):1 8 5-1 9 0.2 梁尔珊,郭双薇,赖文苑,等.木薯秸秆/高密度聚乙烯复合材料的制备与性能研究J.包装工程,2 0 2 2,4 3(5):8-1 5.3 浦行佳,徐伟,陆毅峰,等.有机蛭石/高密度聚乙烯复合材料的制备及性能研究J.合成材料老化与应用,2 0 2 1,5 0(6):2 2-2 4.4 朱鹤翔,孙小杰,梁文斌.超高分子量聚乙烯/高密度聚乙烯共混物的低温冲击研究J.塑料科技,2 0 2 2,5 0(1):4 5-4 8.5 谢锦辉.HD P E/改性无机纳米粒子复合材料的制备与性能研究D.贵阳:贵州民族大学,2 0 2 2.6 朱铭珠,杨延梅,徐亚,等.填埋场防渗系统高密度聚乙烯膜漏洞修补技术探析J.环境 工程技术学 报,2 0 2 2,1 2(5):1 6 4 7-1 6 5 2.7 高克京,祝文亲,张丽洋,等.高密度聚乙烯的化学微交联研究J.合成树脂及塑料,2 0 2 1,3 8(6):1 5-1 9,6 2.8 张栗源,董从林,袁成清,等.石墨烯/高密度聚乙烯在水润滑条件下的摩擦学性能研究J.表面技术,2 0 2 1,5 0(1 1):2 0 8-2 1 7,2 7 8.9 蒋志成,王君豪,王稳启,等.基于高密度聚乙烯/丁苯橡胶热塑性硫化胶的超疏水/超亲油油水分离膜的制备及性能J.合成橡胶工业,2 0 2 1,4 4(6):4 6 2-4 6 7.1 0谢世杰,许卫荣,王强,等.高密度聚乙烯管热熔接头的全聚焦成像实验分析J.河南科技大学学报(自然科学版),2 0 2 2,4 3(1):4 6-5 1.1 1李小晴,江文正,李文珠,等.炭含量对竹炭/高密度聚乙烯复合材料电磁屏蔽和力学性能的影响J.林业工程学报,2 0 2 2,7(1):1 3 0-1 3 6.1 2巩明方,孙勇飞,王新威.超高分子量聚乙烯/高密度聚乙烯共混体系动态流变行为及相容性研究J.化学世界,2 0 2 1,6 2(9):5 3 8-5 4 4.1 3高欢,邵平均,李邦,等.配位链转移聚合合成高密度聚乙烯-嵌段-等规聚丙烯嵌段共聚物J.高分子学报,2 0 2 1,5 2(1 1):1 4 9 8-1 5 0 5.欢迎访问 现代塑料加工应用 网站h t t p:/x d s l.c b p t.c n k i.n e t欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎惠登广告11