高密度聚乙烯硅烷偶聯(lián)劑改性硫酸鈣晶須復合材料的制備與性能

隨著功能性高分子材料的迅速發(fā)展，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）以及高密度聚乙烯（HDPE）等塑料的生產(chǎn)工藝不斷提高。其中，HDPE由于具有優(yōu)越的化學穩(wěn)定性、耐磨性、電絕緣性能及優(yōu)異的機械強度等特殊性能，被廣泛應用于商品包裝、建筑建材、醫(yī)用塑料以及農(nóng)業(yè)薄膜等領域。但隨著應用領域的增加，局限性也隨之顯現(xiàn)，HDPE在實際應用中具有脆性強、降解性及耐候性差等缺陷。有研究發(fā)現(xiàn)，利用價格低廉且性能優(yōu)異的無機填料對HDPE進行填充改性可彌足這些不足。硫酸鈣晶須（CSW）是一種晶體結構近乎完美的新型無機納米填料，不僅成本低廉，而且具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、絕緣性、高拉伸強度和彈性模量，常用作增強高聚物的機械加工性及熱穩(wěn)定性等方面的優(yōu)良填料。但隨著無機材料改性HDPE越來越普遍，卻無法同時提高HDPE的力學性能、結晶性能和可加工性能。原因在于HDPE極性較弱，同時CSW具有較高的長徑比，在制備HDPE/CSW復合材料時，CSW常在HDPE內部團聚。如何進一步增強CSW在HDPE內部的分散性，增強兩者之間的界面相容性，保證良好的力學性能、結晶性能和可加工性能是目前研究難題所在。相關研究表明，硅烷偶聯(lián)劑常用來提高無機填料的分散性，在無機材料與有機材料之間存在“橋梁”的作用。為此，本研究采用熔融共混擠出造粒工藝制備了HDPE/CSW復合材料。先采用KH570對CSW進行表面改性，再與HDPE熔融共混，在增強CSW與HDPE的界面相容性的同時，降低CSW在HDPE基體中的團聚現(xiàn)象，提高復合材料的機械加工性。然后通過對HDPE/CSW復合材料進行力學性能、熱失重（TG）、差示掃描量熱法（DSC）、結晶和降解動力學分析，研究不同含量的CSW對HDPE/CSW復合體系的力學性能、結晶性能與熱穩(wěn)定性能的影響，利用結晶模型和熱降解模型探究復合體系的非等溫結晶動力學與熱降解動力學。摘要：以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）改性的硫酸鈣晶須（CSW）為高密度聚乙烯（HDPE）的填料，采用熔融共混法制備了HDPE/CSW復合材料。通過SEM、XRD、TG、DSC表征了KH570改性的CSW對復合材料HDPE/CSW的性能影響。結果表明，改性CSW質量分數(shù)為20%時，HDPE/CSW的拉伸和彎曲強度比純HDPE分別增加9.28%和33.04%，且易產(chǎn)生異相結晶，提升了HDPE/CSW復合材料的耐熱性和結晶度。純HDPE的熱降解反應活化能為244.11kJ/mol，改性CSW質量分數(shù)為50%時，HDPE/CSW復合材料的熱降解反應活化能降到236.99kJ/mol，表明CSW提升了HDPE/CSW復合材料的熱降解反應速率，擴展了復合材料的使用范圍。結論首先采用KH570對CSW進行表面改性，作為HDPE的填充納米粒子，采用熔融共混擠出制備HDPE/CSW復合材料，改性CSW摻雜提升了HDPE的機械加工性能，提高了HDPE/CSW復合材料的耐熱性。當改性CSW質量分數(shù)為20%時，在HDPE基體中的改性CSW作為異相存在，采取異相成核的方式結晶，提高了HDPE的結晶度，此時拉伸強度為（30.85±0.5）MPa，彎曲強度為（25.85±0.2）MPa，較純HDPE的拉伸強度和彎曲強度（28.23±0.5）MPa和（19.43±0.2）MPa分別提升了9.28%和33.04%。改性CSW含量繼續(xù)提高會在HDPE基體中形成較多的缺陷和團聚現(xiàn)象，會降低復合材料的結晶度。改性CSW的加入使得HDPE的熱降解反應活化能從純HDPE的244.11kJ/mol降到HDPE/CSW-50%的236.99kJ/mol，提升了熱降解反應速率。Coast-Redfern方程模型得到，HDPE/CSW復合材料熱降解機理函數(shù)為g(α)=[1–(1–α)]1/1，反應級