纳米氧化锌_低密度聚乙烯复合材料性能的研究

1、文章编号 :100523360(2003 20620046204纳米氧化锌 低密度聚乙烯复合材料性能的研究张 雪 茜(天津科技大学材料科学与化学工程学院 , 天津 300222 摘 要 : 研究了纳米氧化锌 低密度聚乙烯复合材料的拉伸性能 , 耐光老化性能及不同的加工方式对复合材 料力学性能的影响 。关键词 : 纳米氧化锌 ; 低密度聚乙烯 ; 母粒中图分类号 :B收稿日期 :2003207209 1100nm , 具有小尺寸效应 , 表面效应 , 宏观量子隧道效应 , 久保效应等许多宏 观颗粒所不具备的奇特性质 。它与普通氧化锌比较 , 表现出许多特殊性能如抗菌 , 防霉 , 除臭 , 护肤

2、美容 , 光 催化 , 光致发光 , 导电 , 增强 , 屏蔽光线 , 吸波 , 节能 , 常 用作抗菌剂1, 紫外线屏蔽剂2, 光催化剂3, 传感器 ,增强剂 , 导电材料 , 压电材料 , 信息存储材料 , 隐身材 料 , 节能材料等4。 由于它质量轻 , 颜色浅 , 性能好 , 可塑性较强 , 它的应用研究渐渐引起了大家的关注 。本文把纳米氧化锌引入到低密度聚乙烯中 , 观察拉伸性 能 , 以及对光稳定性的改进 , 同时考察了适宜的加工路 线 。1 实验1. 1 原料钛酸酯改性纳米 ZnO (钛改纳米 ZnO 河海纳米科技有限公司 低密度聚乙烯 (LDPE 天津燕化石油化工股份有 限公司

3、化工一厂 线性低密度聚乙烯 (LLDPE 天津联合化学有限公司 分散剂 天津化学试剂三厂 相容剂实验室自制 聚乙烯蜡 (PE 蜡 市售 邻苯二甲酸二辛酯 (DOP 市售1. 2 主要仪器和设备双螺杆挤出机河北省文安县化工机 械厂Brabender 挤出机PE L330德国 Brabender 公司Brabender 转矩塑化仪 PE L330德国 Brabender 公司压力成型机 S L -45上海第一橡胶机械厂 平板硫化机 257国营青岛化工机械厂 拉力实验机X LL -50广州材料试验机厂1. 3 母粒的制作1. 4 复合材料的制备母料LDPE1. 5 不同的加工路线 (1 双螺杆挤出机

4、造粒 Brabender 挤出机挤出片材(2 Brabender 塑化仪混合 压力成型机压制成片 (3 Brabender 挤出机造粒 Brabender 挤出机挤出 片材(4 双螺杆挤出机造粒 Brabender 塑化仪混合 压力成型机压制成片 。1. 6 性能表征 拉伸性能 :根据 IS O R 527-1966E 测定 , 拉伸速 率 100mm min ;耐老化性 :根据 IS O 4892-1981(E 测定 (氦氖 灯 , 系统温度 40 , 照射 55h 。64 塑 料 科 技P LASTICS SCI. &TECH NO LOGY 6(Sum. 158December

5、20032 结果与讨论2. 1 母粒及复合材料的制作配方表 1 母粒的制作配方成 份母 粒 编 号2525242322钛改纳米 ZnO4330303030相容剂 51015分散剂11111DOP22222表 2 成 份 系 列 编 号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 复合材料的拉伸性能 如图 1, 图 2所示 :母粒 4与 LDPE 混合后材料的 拉伸强度与断裂伸长率普遍较好 , 两者在纳米 ZnO 含 量为 1%时出现最高值 , 其中 , 拉伸强度比纯 LDPE 提 高了 15

6、%, 断裂伸长率基本持平 。主要因为纳米粒子 粒径小 , 比表面积大 , 颗粒与基体树脂接触面积增大 , 纳米 ZnO 已经被钛酸酯偶联剂改性过 , 极性降低 , 母 粒中又放入分散剂 , 目的是使它分散更均匀 , 并且 , 经 过实验的逐步修正 , 加入自制的相容剂 , 它是 LDPE 的 接枝物 , 当它分散到树脂中时 , 它的长分子链与 LDPE 分子链紧密缠绕 , 它的接枝短分子链稍有极性 , 能尽量图 1 不同样品的拉伸强度 图 2 不同样品的断裂伸长率, 与接枝在它上面的偶联剂小分子链相互连接 , 既增强了界面粘结力 , 又增加了体系中的物理缠结点 , 在外力作用下 , 大分子链由

7、无规状态伸长 , 产生滑动 , 应力通过缠结点分散传递 , 由大多数伸直链 共同承担 , 趋向于均匀分布 , 防止分子链的剧烈移动 , 使拉伸强度和断裂伸长率有所提高 , 同时 , 纳米氧化锌 作为无机颗粒 , 模量较大 , 本身能够承担一定的负荷 , 使拉伸强度进一步提高 。由图 2可以观察到 :添加母 粒 4的复合材料后期断裂伸长率下降较快 , 原因在于 此时相容剂的含量较大 , 体系中接枝链的相对数量增 大 ,LDPE 大分子链相对量下降 , 而前者比后者易断裂 , 导致整个体系的断裂伸长率下降 , 但相容剂的数量控 制恰当时 , 能够显著提高系统的拉伸性能 。2. 3 复合材料的耐老化

8、性能 如图 3 , 图 4所示 :纳米 ZnO 对提高 LDPE 的光稳 定性起了相当的作用 。 选用母粒 4与 LDPE 制作成复 合材料 , 光稳定性较好 , 其中 , 拉伸强度在纳米 ZnO 为 2%时出现峰值 , 比纯聚乙烯提高 18%; 断裂伸长率在图 3 不同样品老化后的拉伸强度74张雪茜 纳米氧化锌 低密度聚乙烯复合材料性能的研究 图 4 不同样品老化后的断裂伸长率 纳米 Z nO 为 1%出现峰值 , , 团 , , 原因是杂质吸收了光 引起了光化学反应。 聚乙烯中有两种杂质 , 一种是添加 进去的如催化剂残余 , 诸如钛 , 钼 , 烷基铝等。 它们在光 的照射下 , 具有相

9、当高的吸收系数 , 生成光量子的结果 是产生游离基 , 引发聚合物的光老化 ; 另一种杂质是聚 合物转变的产物如过氧化物 , 羰基化合物 , 含双键的化 合物等 , 它们可以引起链反应的增长 , 起光敏剂的作 用 5,6。纳米 Z nO 是优良的光屏蔽剂7, 应用在许多领域。对波长范围在 200400nm 的光线散射能力较强 , 阻止 它们透入聚合物内部 , 减少激发反应。 纳米 Z nO 的能力 受颗粒浓度的制约 , 因为粒子浓度对光散射体积有较大 影响。 粒子浓度稀薄 , 粒子间距足够大 , 没有临近粒子 光散射体积的作用 , 每一个微粒散射一部分光线 ; 粒子 浓度高 , 粒子间距小 ,

10、 一部分颗粒的光散射体积被压缩 而变小 , 导致散射效率降低。 所以 , 纳米氧化锌的量过 少 , 效果不明显 , 量过多 , 颗粒排列紧密 , 也影响它对光 线的散射 , 用量要适宜 , 还要使它分散良好。 观察曲线 后发现 , 不添加相容剂的材料老化后断裂伸长率的保留 程度要比添加相容剂的材料好 , 但拉伸强度不如它 , 根 源在于相容剂是大分子接枝物 , 在光的照射下 , 接枝处 有可能发生断链 , 从而稍微影响了体系的断裂伸长率。2. 4不同加工路线对体系拉伸性能的影响 如图 5, 图 6所示 , 采用加工路线 1所制得的复合材 料的拉伸性能较好。 路线 2与路线 1相比 , 压力成型

11、机 的分散作用不及 Brabender 挤片机 ; 路线 3与路线 1相 比 ,Brabender 挤出机的剪切力自然不如双螺杆挤出机 ; 路线 4与路线 2相比 , 多了一次混合过程 , 出发点是多图 5 不同加工路线的拉伸强度 图 6 不同加工路线的断裂伸长率 分散一次 , 但实际效果欠佳 , 说明分散的次数也要适度 , 少了肯定不行 , 频繁分散会破坏聚乙烯内部的微晶结 构 , 这对断裂伸长率的损害尤为明显。 对于本次实验来 说 , 采用路线 1, 剪切力量 , 分散次数恰当。3 结论 (1 采用母粒 4与 LDPE 制作成复合材料 , 拉伸性 能较好 , 其中 , 拉伸强度在纳米 Z

12、nO 为 1%出现峰值 , 比 纯聚乙烯提高 15%, 断裂伸长率基本持平 ;(2 选用母料 4与 LDPE 制作成复合材料 , 光稳定 性较好 , 其中 , 拉伸强度在纳米 Z nO 为 2%时出现峰值 , 比纯聚乙烯提高 18%;断裂伸长率在纳米 Z nO 为 1%出 现峰值 , 是纯聚乙烯的 312倍 ;(3 通过母粒分散 , 先用双螺杆挤出机造粒 , 再用 Brabender 挤出机挤出片材 , 材料的综合性能良好。84张雪茜 纳米氧化锌 低密度聚乙烯复合材料性能的研究参考文献 :1 祖庸 , 雷闰盈 , 王训等 . 纳米 Z nO 的奇妙用途 J . 化工新型材料 ,1999,27(

13、3 :1416.2 Aman o , T akashi. Resin com positions , manu facture thereof , andcoating materials using the same with excellent storability. Jpn. k okai T okky o P . k oh o JP 09,143331,1996. 3 井立强 , 孙晓君 , 蔡伟民 . Z nO 纳米粒子的表面光电压谱和光催化性能 D . 化学学报 ,2002,60(10 :17781783. 4 詹国平 , 黄可龙 , 刘素琴 . 纳米氧化锌的制备技术与研究发展

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15、ymer Degradation and S tability ,1997,58:5559.7 N orman S. Allen ,M ichele Edge ,T eresa C orrales. Ageing and stabi 2lization of filled polymers :an overview. P olymer Degradation and S tability ,1998,61:183199.Properties X UE 2qian(C of Science and Chemical Engineering ,T ianjin University of Scie

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页】 参考文献 :1 Plastics Pipes for Water Supply an

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18、J1现代塑料加工应用 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