全 文 ：　李文莲等　滑石粉/碳酸钙增强增韧高密度聚乙烯的研究
收稿日期:2009-10-20
基金项目:2009 年度湖南省高校创新平台开放基金项目(09K091)
作者简介:李文莲(1981-), 女 ,湖南工业大学硕士生 ,主攻无机粉体的改性及高聚物的增强增韧。
技术专论
滑石粉 /碳酸钙增强增韧高密度聚乙烯的研究
李文莲1 , 王正祥1 , 谢安全2
(1.湖南工业大学 包装新材料与技术重点实验室 , 株洲 412000;2.株洲市容昌金属包装有限公司 , 株洲
412005)
摘要:采用熔融共混法制备 HDPE 复合材料 ,研究了 talc 和(或)CaCO 3 的添加量对 HDPE 复合材料力学性
能的影响。结果表明 ,将滑石粉和碳酸钙共复合时 , 可以同时发挥片状滑石粉的增强作用和近球状碳酸钙的
增韧作用;当无机粉体的添加量为 30%时 ,HDPE/ talc/CaCO3 共混复合体系的拉伸强度提高了 29.9%,冲击
强度提高了 56.1%,弯曲强度提高了 40%。
关键词:滑石粉;碳酸钙;高密度聚乙烯;共复合
中图分类号:TB484.3;TB487　文献标识码:A　文章编号:1001-3563(2010)05-0035-04
Study on Talc/CaCO3 Reinforcing and TougheningHDPE
LI Wen-lian1 , WANG Zheng-xiang 1 , X IE An-quan2
(1.National Key Labor ator y of New Materials and Technology of Packag ing ,H unan Univ ersity o f Technolog y ,
Zhuzhou 412000 , China;2.RongChang Package Company Limited o f Zhuzhou , Zhuzhou 412005 , China)
Abstract:HDPE composite plastics we re prepared by me lt compounding method.The effects o f talc and (o r)
CaCO3 do sage on tensile proper ties , impact prope rties and bending prope rties of HDPE composite plastics wer e
studied.The results show that added by talc and (o r)CaCO 3 , the enhancement of ta lc and the toughening o f
CaCO3 could be acquired simultaneously.When the content of Ino rg anic pow der wa s 30%, the tensile
strength , izod no tched impact streng th and bending streng th of H DPE/ talc/CaCO3 composite we re higher than
pure HDPE by 29.9%, 56.1%, 40% r espectively.
Key words:talc;CaCO 3 ;high density po lye thy lene(HDPE);co-composite
　　高密度聚乙烯[ 1](HDPE)为硬质包装容器的基
础原料 ,具有一系列的优点 ,如抗冲击性好 、耐寒性
好 、耐抗环境应力开裂好 、化学稳定性极佳 、耐油性
好 、电绝缘性好等等 ,但也具有局限性 ,如使用温度不
高 ,一般在 110 ℃以下 ,耐老化性差 ,在大气 、阳光 、氧
的作用下 ,逐渐变脆 ,力学强度和电性能下降 ,在成型
温度下 ,会因氧化作用而引起粘度下降 ,出现变色 ,产
生条纹等等 。此外 ,由于石油危机的出现导致的原材
料上涨 ,给生产和使用单位的经营造成很大的困难。
调研表明 ,许多生产包装容器的单位都迫切希望利用
廉价的无机粉体对其进行填充改性。在以往单种粒
子填充 HDPE的研究中[ 2-8] 发现:不同种类 、不同形
貌 、不同粒径的无机刚性粒子能改善或提高 HDPE
材料不同方面的性能。比如乔放[ 5] 等人运用不同的
偶联剂处理硅灰石表面 , 研究界面粘接状况对
HDPE /硅灰石复合体系力学性能的影响 ,得到了超
韧的 HDPE /硅灰石复合材料 。美国国家标准技术学
院对尼龙 6 /纳米粘土复合材料燃烧性能进行了评
估 ,数据表明 ,尼龙 6 /纳米粘土(95 /5)复合材料峰值
热释放率下降至纯尼龙 6的 63%,并且其他物理性
能也大大提高 。
如果将几种物理 、化学性质不同的粒子组合起来
得到的无机组合粒子 ,以此填充聚合物 HDPE ,综合
利用各粒子间正复合效应 ,避免或弱化单种粒子填充
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包装工程　PACKAGING ENGINEERING Vo l.31 No.5 2010.03
的负复合效应 ,充分利用系统效应 ,有可能制得综合
性能良好的聚合物复合材料[ 9-11] 。选用资源丰富 、
价格低廉的滑石粉和重质碳酸钙粒子作为 HDPE填
充改性剂粒子 ,以组合无机刚性粒子增强增韧 HDPE
的思路开发低成本 、高性能聚合物复合材料 ,进一步
拓宽 HDPE 材料的应用领域 , 降低 HDPE 材料成
本 ,促进改性 HDPE材料的产业化及高技术应用 。
1　实验
1.1　原材料
HDPE:牌号 5000S , 兰州石化产品;滑石粉:
1250目 ,广西桂林产品;重质碳酸钙:2500目 ,广西桂
林产品;硅烷偶联剂:牌号 KH550 ,安徽天长市产品;
无水乙醇:分析纯 ,天津市产品;硬脂酸钠 ,分析纯 ,天
津产品;硬脂酸 ,分析纯 ,上海产品 。
1.2　仪器及设备
电子万能拉力机:CMT-6000 型 ,深圳三思计量
有限公司;冲击试验机:XJJ-50J ,承德大华试样机有
限公司;双螺杆挤出机:CT E-35 科倍隆科亚(南京)
机械有限公司;注射成型机:H TF90W1 ,宁波海天股
份有限公司。
1.3　试样制备
1.3.1　滑石粉的改性
先将滑石粉在恒温烘干箱中以 120 ℃干燥12 h ,
滑石粉的表面处理温度 90 ℃。具体操作:称取一定
量的滑石粉溶于去离子水中 ,超声波分散 15 min ,移
入三口烧瓶中 ,预热 30 min;称取硬脂酸钠 、KH550
分别加入三口烧瓶中 ,使滑石粉 、KH550 与硬脂酸钠
的质量比为:100∶2.5∶2.0 , KH550:去离子水为 1∶
10;待反应进行 2 h ,离心干燥 ,得到改性滑石粉 。
1.3.2　碳酸钙的改性
先将 CaCO 3 在恒温干燥箱以 120 ℃干燥 12 h ,
CaCO 3的表面处理温度为 70 ～ 80 ℃。具体操作:称
取一定量的 CaCO 3 溶于无水乙醇中 , 超声分散 15
min ,移入三口烧瓶中 ,70 ～ 80 ℃预热 30 min;称取硬
脂酸倒入三口烧瓶 ,使硬脂酸与 CaCO 3 的质量比为
1%～ 2%;待反应进行1.5 ～ 2 h ,离心 ,干燥得到改性
粉体 。
1.3.3　HDPE/ talc/CaCO3 共复合材料的制备
将无机粉体按一定的配比与 HDPE 配成混合
料 ,经高速混合机混合 5 min ,然后在双螺杆挤出机
中于 200 ～ 220 ℃,挤出造粒 。粒料经冷却干燥后注
塑成型 ,制得样条 ,按国家标准样条测试其力学性能。
1.3.4　试样规格
按国家标准制备样条 ,拉伸试样为 150 mm×10
mm×4 mm 双铲型;冲击试样为 80 mm ×10 mm ×4
mm ,缺口为 2 mm;弯曲试样为 80 mm ×15 mm×4
mm 。试验数据点为 10 个试验数据的平均值;试验
在室温下进行 。
1.3.5　性能检测
拉伸强度按 GB /T 1040-92 测试;弯曲性能按
GB /T 1042-79测试;悬臂梁缺口冲击强度按 GB /T
1843-80测试。
2　结果与讨论
2.1　碳酸钙的含量对HDPE复合材料性能的影响
保持无机粉体质量分数为 5%不变的前提下 ,考
察了 CaCO3 的含量对 HDPE / talc /CaCO 3 复合材
料力学性能的影响。
2.1.1　对 HDPE 复合材料拉伸强度的影响
与纯 HDPE相比 ,滑石粉的加入可以使 HDPE
复合体系的拉伸强度增加 ,这是因为高厚径比 、高表
面积的无机粉体对结晶性的非极性高分子体系有更
好的增强效果。滑石粉在形态上呈层片状结构 ,层片
具有较大的径厚比[ 9] 。CaCO 3 含量对复合材料拉伸
强度的影响见图 1 ,可以看出 ,随着 CaCO3 含量的增
图 1　复合材料拉伸强度与 CaCO3 质量分数的关系
Fig.1 Relationship betw een tensile st reng th
o f composite material and content of CaCO3
加 ,共复合体系的拉伸强度略微下降 ,这是碳酸钙近
球状结构的特性所决定的 。
2.1.2　对 HDPE 复合材料冲击强度的影响
CaCO 3含量对复合材料冲击强度的影响见图 2 ,
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　李文莲等　滑石粉/碳酸钙增强增韧高密度聚乙烯的研究
图 2　复合材料冲击强度与 CaCO 3 含量的关系
Fig.2 Relationship between impact strength
o f composite material and content of CaCO3
可以得出 , 虽然与纯 HDPE 相比滑石粉的加入使
HDPE /talc体系的冲击强度明显下降 ,但随着 Ca-
CO 3 加入量的增加 , HDPE / talc /CaCO 3 体系的冲击
强度得到了改善 ,体现了 CaCO 3 近球状结构的增韧
效果 。
2.1.3　对 HDPE 复合材料弯曲强度的影响
与纯 HDPE相比 ,滑石粉的加入可以使 HDPE /
talc 复合体系的弯曲强度明显增加 ,见图 3 。可以看
图 3　复合材料弯曲强度与 CaCO 3 含量的关系
Fig.3 Relationship be tw een bending streng th
o f composite material and content of CaCO3
出 ,随着粉体中 CaCO 3 含量的增加 , HDPE /talc /Ca-
CO 3 共复合体系的弯曲强度与 HDPE /CaCO3 复合
体系相比略微下降 ,这是因为虽然滑石粉和碳酸钙单
独复合 HDPE时 ,弯曲强度都有所增加 ,但是滑石粉
增加的幅度大一些 ,碳酸钙的加入影响了增加幅度。
因此在添加量相同的情况下 HDPE /talc的弯曲强度
比 HDPE /talc /CaCO 3 的要大。
2.2　无机粉体的含量对HDPE复合材料性能的影响
保持碳酸钙与滑石粉的比例为 1:1的前提下 ,考
察无机粉体含量对 HDPE 复合材料力学性能的影
响。
2.2.1　对拉伸强度的影响
无机粉体含量对复合材料拉伸强度的影响见图
4。
图 4　无机粉体含量对复合材料拉伸强度的影响
Fig.4 Influence o f filler content on tensile
streng th o f composite material
纯 HDPE的拉伸强度为 21.67 MPa ,由图 4可
以看出 ,随着无机粉体的增加 ,HDPE / talc体系的拉
伸强度呈上升趋势 , HDPE /CaCO3 体系的拉伸强度
有一定程度的下降 , HDPE /talc /CaCO3 体系的拉伸
强度有所上升 ,无机粉体加入量为 30%时 ,拉伸强度
为 27.3 MPa ,提高了 29.9%。尽管如此 ,与滑石粉
单独复合的体系相比却有所下降。这是因为:一方面
两种无机粉体的均匀分散将变得困难 ,易造成应力集
中 ,使材料内部缺陷增加;另一方面 CaCO 3 粉体总量
的增加也削弱了滑石粉粒子的增强效果 。
2.2.2　对冲击强度的影响
无机粉体含量对复合材料冲击强度的影响见图
5。
图 5　无机粉体含量对复合材料冲击强度的影响
Fig.5 Influence of filler content on impcat
streng th o f composite material
纯 HDPE的冲击强度为 27.9 kJ /m2 ,由图 5可
以看出 ,滑石粉的加入使 HDPE /talc 复合体系的冲
击强度大幅度下降 ,且与滑石粉的添加量无关 。这是
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包装工程　PACKAGING ENGINEERING Vo l.31 No.5 2010.03
由滑石粉本身的物理化学性质所决定的 。滑石粉在
形态上呈层片状结构 ,层片之间只存在较弱的范德华
力作用 ,容易在加工过程中因强剪切而产生相对滑
移;且由于滑石粉层片表面的氧原子处于原子价饱和
状态 ,故表面活性较低。因此 ,即使在少量添加的情
况下 ,滑石粉也将因层片相对滑移在体系中产生大量
的弱界面 ,弱界面引起的损伤破坏将使体系的韧性极
度下降。HDPE / talc /CaCO 3 共复合体系的冲击强
度随 CaCO 3 的增加而大幅度增加 ,这是因为虽然滑
石粉在体系中产生较多的弱界面 ,但是在 CaCO 3 粒
子存在而且其数量占优势的情况下 , CaCO 3 粒子通
过硬脂酸与 HDPE 之间产生的良好界面联接 ,在很
大程度上弥补了弱界面的影响 ,使 HDPE /talc /Ca-
CO 3 共复合体系仍然保持较高的冲击强度 。无机粉
体填加量为30%时 ,HDPE /talc /CaCO3 共复合体系
的冲击强度为 42.3 kJ /m2 ,提高了 56.1%。
2.2.3　对弯曲强度的影响
无机粉体的含量对复合材料弯曲强度的影响见
图 6。
图 6　无机粉体的含量对复合材料弯曲强度的影响
F ig.6 Inf luence of fille r content on bending
streng th o f composite material
纯 HDPE 的弯曲强度为 13.57 MPa ,无机粉体
的加入使复合体系的弯曲强度有不同程度的提高 ,
HDPE /talc /CaCO 3 体系在其它两种之间 。无机粉体
的添加量从 5%～ 30%, HDPE /talc /CaCO 3 共复合
体系的弯曲强度从 13.9 MPa 升高到 18.2 MPa ,升
高幅度达到了 40%左右。
3　结论
1)将改性后的 CaCO 3 或 talc对 HDPE 进行复
合时 ,随粉体含量的增加 ,HDPE /CaCO 3 复合体系表
现为拉伸强度下降但冲击强度大幅度增加 ,弯曲强度
有所改善;HDPE /talc复合体系则表现为拉伸强度和
弯曲强度有较大的增加 ,而冲击强度有较大的下降 。
2)将 talc和 CaCO 3共复合 ,可以同时发挥片状
滑石粉的增强作用和近球状 CaCO 3 的增韧作用。
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