納米氧化鋅_低密度聚乙烯復(fù)合材料性能的研究

1、文章編號 :100523360(2003 20620046204納米氧化鋅 低密度聚乙烯復(fù)合材料性能的研究張 雪 茜(天津科技大學材料科學與化學工程學院 , 天津 300222 摘 要 : 研究了納米氧化鋅 低密度聚乙烯復(fù)合材料的拉伸性能 , 耐光老化性能及不同的加工方式對復(fù)合材 料力學性能的影響 。關(guān)鍵詞 : 納米氧化鋅 ; 低密度聚乙烯 ; 母粒中圖分類號 :B收稿日期 :2003207209 1100nm , 具有小尺寸效應(yīng) , 表面效應(yīng) , 宏觀量子隧道效應(yīng) , 久保效應(yīng)等許多宏 觀顆粒所不具備的奇特性質(zhì) 。它與普通氧化鋅比較 , 表現(xiàn)出許多特殊性能如抗菌 , 防霉 , 除臭 , 護膚

2、美容 , 光 催化 , 光致發(fā)光 , 導(dǎo)電 , 增強 , 屏蔽光線 , 吸波 , 節(jié)能 , 常 用作抗菌劑1, 紫外線屏蔽劑2, 光催化劑3, 傳感器 ,增強劑 , 導(dǎo)電材料 , 壓電材料 , 信息存儲材料 , 隱身材 料 , 節(jié)能材料等4。 由于它質(zhì)量輕 , 顏色淺 , 性能好 , 可塑性較強 , 它的應(yīng)用研究漸漸引起了大家的關(guān)注 。本文把納米氧化鋅引入到低密度聚乙烯中 , 觀察拉伸性 能 , 以及對光穩(wěn)定性的改進 , 同時考察了適宜的加工路 線 。1 實驗1. 1 原料鈦酸酯改性納米 ZnO (鈦改納米 ZnO 河海納米科技有限公司 低密度聚乙烯 (LDPE 天津燕化石油化工股份有 限公司

3、化工一廠 線性低密度聚乙烯 (LLDPE 天津聯(lián)合化學有限公司 分散劑 天津化學試劑三廠 相容劑實驗室自制 聚乙烯蠟 (PE 蠟 市售 鄰苯二甲酸二辛酯 (DOP 市售1. 2 主要儀器和設(shè)備雙螺桿擠出機河北省文安縣化工機 械廠Brabender 擠出機PE L330德國 Brabender 公司Brabender 轉(zhuǎn)矩塑化儀 PE L330德國 Brabender 公司壓力成型機 S L -45上海第一橡膠機械廠 平板硫化機 257國營青島化工機械廠 拉力實驗機X LL -50廣州材料試驗機廠1. 3 母粒的制作1. 4 復(fù)合材料的制備母料LDPE1. 5 不同的加工路線 (1 雙螺桿擠出機

4、造粒 Brabender 擠出機擠出片材(2 Brabender 塑化儀混合 壓力成型機壓制成片 (3 Brabender 擠出機造粒 Brabender 擠出機擠出 片材(4 雙螺桿擠出機造粒 Brabender 塑化儀混合 壓力成型機壓制成片 。1. 6 性能表征 拉伸性能 :根據(jù) IS O R 527-1966E 測定 , 拉伸速 率 100mm min ;耐老化性 :根據(jù) IS O 4892-1981(E 測定 (氦氖 燈 , 系統(tǒng)溫度 40 , 照射 55h 。64 塑 料 科 技P LASTICS SCI. &TECH NO LOGY 6(Sum. 158December

5、20032 結(jié)果與討論2. 1 母粒及復(fù)合材料的制作配方表 1 母粒的制作配方成 份母 粒 編 號2525242322鈦改納米 ZnO4330303030相容劑 51015分散劑11111DOP22222表 2 成 份 系 列 編 號12345母粒221(母粒 1 221(母粒 2 221(母粒 3 221(母粒 4 22(母粒 5 LDPE1001001001001002. 2 復(fù)合材料的拉伸性能 如圖 1, 圖 2所示 :母粒 4與 LDPE 混合后材料的 拉伸強度與斷裂伸長率普遍較好 , 兩者在納米 ZnO 含 量為 1%時出現(xiàn)最高值 , 其中 , 拉伸強度比純 LDPE 提 高了 15

6、%, 斷裂伸長率基本持平 。主要因為納米粒子 粒徑小 , 比表面積大 , 顆粒與基體樹脂接觸面積增大 , 納米 ZnO 已經(jīng)被鈦酸酯偶聯(lián)劑改性過 , 極性降低 , 母 粒中又放入分散劑 , 目的是使它分散更均勻 , 并且 , 經(jīng) 過實驗的逐步修正 , 加入自制的相容劑 , 它是 LDPE 的 接枝物 , 當它分散到樹脂中時 , 它的長分子鏈與 LDPE 分子鏈緊密纏繞 , 它的接枝短分子鏈稍有極性 , 能盡量圖 1 不同樣品的拉伸強度 圖 2 不同樣品的斷裂伸長率, 與接枝在它上面的偶聯(lián)劑小分子鏈相互連接 , 既增強了界面粘結(jié)力 , 又增加了體系中的物理纏結(jié)點 , 在外力作用下 , 大分子鏈由

7、無規(guī)狀態(tài)伸長 , 產(chǎn)生滑動 , 應(yīng)力通過纏結(jié)點分散傳遞 , 由大多數(shù)伸直鏈 共同承擔 , 趨向于均勻分布 , 防止分子鏈的劇烈移動 , 使拉伸強度和斷裂伸長率有所提高 , 同時 , 納米氧化鋅 作為無機顆粒 , 模量較大 , 本身能夠承擔一定的負荷 , 使拉伸強度進一步提高 。由圖 2可以觀察到 :添加母 粒 4的復(fù)合材料后期斷裂伸長率下降較快 , 原因在于 此時相容劑的含量較大 , 體系中接枝鏈的相對數(shù)量增 大 ,LDPE 大分子鏈相對量下降 , 而前者比后者易斷裂 , 導(dǎo)致整個體系的斷裂伸長率下降 , 但相容劑的數(shù)量控 制恰當時 , 能夠顯著提高系統(tǒng)的拉伸性能 。2. 3 復(fù)合材料的耐老化

8、性能 如圖 3 , 圖 4所示 :納米 ZnO 對提高 LDPE 的光穩(wěn) 定性起了相當?shù)淖饔?。 選用母粒 4與 LDPE 制作成復(fù) 合材料 , 光穩(wěn)定性較好 , 其中 , 拉伸強度在納米 ZnO 為 2%時出現(xiàn)峰值 , 比純聚乙烯提高 18%; 斷裂伸長率在圖 3 不同樣品老化后的拉伸強度74張雪茜 納米氧化鋅 低密度聚乙烯復(fù)合材料性能的研究 圖 4 不同樣品老化后的斷裂伸長率 納米 Z nO 為 1%出現(xiàn)峰值 , , 團 , , 原因是雜質(zhì)吸收了光 引起了光化學反應(yīng)。 聚乙烯中有兩種雜質(zhì) , 一種是添加 進去的如催化劑殘余 , 諸如鈦 , 鉬 , 烷基鋁等。 它們在光 的照射下 , 具有相

9、當高的吸收系數(shù) , 生成光量子的結(jié)果 是產(chǎn)生游離基 , 引發(fā)聚合物的光老化 ; 另一種雜質(zhì)是聚 合物轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物如過氧化物 , 羰基化合物 , 含雙鍵的化 合物等 , 它們可以引起鏈反應(yīng)的增長 , 起光敏劑的作 用 5,6。納米 Z nO 是優(yōu)良的光屏蔽劑7, 應(yīng)用在許多領(lǐng)域。對波長范圍在 200400nm 的光線散射能力較強 , 阻止 它們透入聚合物內(nèi)部 , 減少激發(fā)反應(yīng)。 納米 Z nO 的能力 受顆粒濃度的制約 , 因為粒子濃度對光散射體積有較大 影響。 粒子濃度稀薄 , 粒子間距足夠大 , 沒有臨近粒子 光散射體積的作用 , 每一個微粒散射一部分光線 ; 粒子 濃度高 , 粒子間距小 ,

10、 一部分顆粒的光散射體積被壓縮 而變小 , 導(dǎo)致散射效率降低。 所以 , 納米氧化鋅的量過 少 , 效果不明顯 , 量過多 , 顆粒排列緊密 , 也影響它對光 線的散射 , 用量要適宜 , 還要使它分散良好。 觀察曲線 后發(fā)現(xiàn) , 不添加相容劑的材料老化后斷裂伸長率的保留 程度要比添加相容劑的材料好 , 但拉伸強度不如它 , 根 源在于相容劑是大分子接枝物 , 在光的照射下 , 接枝處 有可能發(fā)生斷鏈 , 從而稍微影響了體系的斷裂伸長率。2. 4不同加工路線對體系拉伸性能的影響 如圖 5, 圖 6所示 , 采用加工路線 1所制得的復(fù)合材 料的拉伸性能較好。 路線 2與路線 1相比 , 壓力成型

11、機 的分散作用不及 Brabender 擠片機 ; 路線 3與路線 1相 比 ,Brabender 擠出機的剪切力自然不如雙螺桿擠出機 ; 路線 4與路線 2相比 , 多了一次混合過程 , 出發(fā)點是多圖 5 不同加工路線的拉伸強度 圖 6 不同加工路線的斷裂伸長率 分散一次 , 但實際效果欠佳 , 說明分散的次數(shù)也要適度 , 少了肯定不行 , 頻繁分散會破壞聚乙烯內(nèi)部的微晶結(jié) 構(gòu) , 這對斷裂伸長率的損害尤為明顯。 對于本次實驗來 說 , 采用路線 1, 剪切力量 , 分散次數(shù)恰當。3 結(jié)論 (1 采用母粒 4與 LDPE 制作成復(fù)合材料 , 拉伸性 能較好 , 其中 , 拉伸強度在納米 Z

12、nO 為 1%出現(xiàn)峰值 , 比 純聚乙烯提高 15%, 斷裂伸長率基本持平 ;(2 選用母料 4與 LDPE 制作成復(fù)合材料 , 光穩(wěn)定 性較好 , 其中 , 拉伸強度在納米 Z nO 為 2%時出現(xiàn)峰值 , 比純聚乙烯提高 18%;斷裂伸長率在納米 Z nO 為 1%出 現(xiàn)峰值 , 是純聚乙烯的 312倍 ;(3 通過母粒分散 , 先用雙螺桿擠出機造粒 , 再用 Brabender 擠出機擠出片材 , 材料的綜合性能良好。84張雪茜 納米氧化鋅 低密度聚乙烯復(fù)合材料性能的研究參考文獻 :1 祖庸 , 雷閏盈 , 王訓等 . 納米 Z nO 的奇妙用途 J . 化工新型材料 ,1999,27(

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16、nceand T echn ology ,T ianjin 300222,China Abstract : I t studied the effects of the tensile property ,light ageing and different processing ways of nano 2Z nO LDPE com 2posite on its mechanical properties.K ey w ords : Nano 2Z nO ;LDPE;Masterbatch【上接第 45頁】 參考文獻 :1 Plastics Pipes for Water Supply an

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18、J1現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用 11993, (2 :4517 Cross LH. N ovel 11978, (11 :211Advances and M arket I nvestigation of P lastic PipesLI U X in 2min ,GE T ao ,Y ANGJin 2ping ,X U Chun 2xia(Box46,Qingdao University of Science and T echnology ,Qingdao 266042,China Abstract : I t reviewed the latest progress of plastic pipes at h ome and abroad. I t com pared and analysed the advantagesand disadvantages ,the market com petitiveness of several kinds of plastic pipes ,such as PE 2X pipe ,PP 2R pipe ,aluminium plastic com posite