硅灰石填充高密度聚乙烯

材料科学与工程专业

材料设计性综合实验报告

题目：硅灰石填料在高密度聚乙烯中的研究

学生姓名：黄保康

学生所在班级：033124

指导老师：胡珊

实验起止日期：2015年09月09日~2015年09月29日中国地质大学(武汉)材料科学与工程系

目录

目录 (2)

1.绪论 (3)

1.1研究现状简介 (3)

1.1.1高密度聚乙烯研究现状 (3)

1.1.2硅灰石填料性质 (4)

1.2实验机理、改性方法 (4)

1.2.1聚合物填充改性机理 (4)

1.2.2正交试验法 (5)

1.2.3挤出成型 (5)

1.2.4注塑工艺 (6)

1.4小组成员 (7)

2.原料及设备 (7)

2.1主要原料 (7)

2.2理化性质 (8)

2.2实验设备 (8)

3.硅灰石填充HDPE复合材料的制备 (8)

3.2工艺参数的设定 (8)

3.3设备的具体操作过程 (8)

3.4实验过程 (9)

4.硅灰石填充HDPE复合材料的性能检测 (10)

5.结果与分析 (10)

5.1硅灰石填充HDPE复合材料拉伸性能 (10)

5.2硅灰石填充HDPE复合材料弯曲性能 (11)

5.3硅灰石填充HDPE复合材料冲击性能 (12)

6.结论与展望 (13)

致谢 (13)

参考文献 (13)

硅灰石填料在高密度聚乙烯中的研究

黄保康

摘要：本文通过实验研究不同粒径、不同含量及通过不同改性剂改性后的硅灰石填料填充到高密度聚乙烯中，高密度聚乙烯在抗弯强度、拉伸强度及缺口断裂功等表现出的不同性质，对硅灰石填充高密度聚乙烯做了研究分析。

关键词：高密度聚乙烯、硅灰石、改性、正交实验法、性能

1.绪论

1.1研究现状简介

1.1.1高密度聚乙烯研究现状

高密度聚乙烯(HDPE)于1953年由德国化学家齐格勒(Ziegler)用低压法率先合成，在1957年投入工业化生产。同时投产的还有美国菲利普(Phillips)石油化学公司创造的中压法HDPE。HDPE的分子链为线型结构，支链比较少，分子链中平均每1000个碳原子数只含有几个支链。规整的链结构使HDPE具有较高的结晶度(80%~95%)、较高的密度

(0.94~0.979g/cm3)以及较高的熔点(124~134℃)。原态HDPE外表呈乳白色，无毒、质轻、价廉、易成型加工。主要用于生产薄膜制品、包装用的压延带和结扎带、绳缆、鱼网和编织用纤维、电线电缆、日用品及工业用的各种大小中空容器、管材等[1]。HDPE是一种由乙烯共聚生成的热塑性聚烯烃，具有良好的物理机械性能，主要表现为：良好的化学稳定性、刚性以及耐湿性，中到高分子量等级的HDPE不管是在室温还是在较低的温度条件下都具有较好的抗冲击性能，广泛用于许多领域。HDPE虽然早在1957年就已经推出，但在其开发与应用方面还远没有达到成熟水平，难以满足一些工程领域对其性能的需求。国内外对HDPE的高性能化进行了大量的研究，是高分子材料科学研究的热点之一。实现聚乙烯高性能化的途径主要有三条：①开发新型聚乙烯；②聚乙烯的化学改性；③聚乙烯的物理改性。开发新型聚乙烯周期长，成本高，因此化学改性和物理改性一直都是重要的手段。下面主要对HDPE的填充、增强改性及断裂功做出研究[2]。

随着聚合物填充改性技术的不断发展，用于塑料填充改性的无机粒子种类越来越多，应用于聚乙烯改性的填料种类也在不断增加。无机填料按化学组成可以分为氧化物、氢氧化物、硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐等。常用的无机填料有玻璃微珠、纳米Al2O3、硅灰石、层状纳米硅石、纳米MMT、碳酸钙、滑石粉、云母、凹凸棒石、高岭土、石墨、钛酸钾晶须等等。

1.1.2硅灰石填料性质

硅灰石是一种钙的偏硅酸盐类矿物，化学组成为CaSiO3，理论化学成分（质量分数）为CaO48.3%、SiO251.7%，晶体结构是由（Si-O）四面体和（Ca-O）八面体构成．其具有纤维状（针状）结构、无毒无嗅、稳定的化学性能、低的吸水率及吸油值，但是其粉体与高聚物基料的相容性差，因而直接加入分散性不好，经过表面处理后，可改进与高聚物基料的相容性，增强其补强作用，使填充的高聚物复合材料的力学性能更佳。

全世界硅灰石资源总量估计在8亿t以上,探明储量约3亿t分布在中国、印度、美国、墨西哥、芬兰等20多个国家和地区。我国硅灰石储量约2亿t居世界首位,保有储量13265万t分布在吉林、辽宁、浙江、江西、湖北、安徽、云南等地。目前,全世界年产硅灰石60万t以上,国内硅灰石产量约30万t约占世界总产量的50%。

目前硅灰石针状粉应用在高分子材料中作填料存在的主要问题是，用于树脂基复合材料中，颜色变深；硅灰石表面亲水，与有机树脂的相容性不好；硬度较高，使用方法不当对加工设备会造成较大的磨损，所以要解决硅灰石针状粉与有机树脂的相容性必须做合理的表面改性或复合改性。目前改性方法主要有硅烷偶联剂改性、酞酸酯偶联剂改性、纳米二氧化硅包覆复合改性、硅酸铝包覆复合改性[3]。

改性针状硅灰石粉超细粉应用于工程塑料做填料的主要作用是：改善塑料制品的力学性能和耐热性：改善塑料制品的功能强度，起补强、增强作用：调整塑料的流变能力；提高产品的尺寸稳定性；替代价格较贵的玻璃纤维作填料，可部分替代价格高的塑料用量，从而降低制品成本。

作为填料使用在塑料中的填充改性技术，现在硅灰石产品已占欧美无机填料市场的10%-15%。它的主要优点在于不仅起填充作用，还可以和云母、滑石媲美，甚至还能取代石棉来做增强材料。目前，它已在环氧、酚醛、热固性聚酯、聚烯烃等多种塑料中获得应用。

1.2实验机理、改性方法

1.2.1聚合物填充改性机理

某些填充材料还具有导电性、磁性、阻燃性等特殊功能，将其对聚合物进行填充改性时，不仅能够改善基体材料的机械性能与热性能还能赋予材料一些独特的特殊功能。填料结构对复合材料的性能有着显著的影响，主要与填料的形状、粒径和粒径分布等有关。用于塑料填充改性的无机粒子的粒径分布一般为微米级或纳米级。

由于填料的存在，基体材料的分子链就不能再占据原来的全部空间，使得相连的链段在某种程度上被固定化，并可能引起基体聚合物的取向。由于填料粒子的尺寸稳定性，在填充的聚合物中，聚合物界面区域的分子链运动受到限制，而使玻璃化温度上升，热变形温度提高，收缩率降低，弹性模量、硬度、刚度、冲击强度提高[4]。

填充物的极性一般比较强，而有机高分子树脂一般为非极性物质或极性较小，两者共混后表现为互不相容，将会严重影响复合材料的综合性能。因此，在共混改性之前必须对无机填料进行适当的表面处理，使填料表面的极性与聚合物极性相近从而改善相容性[5]。改变填料表面极性的方法主要有两种：一种是表面物理改性法，包括改性剂涂覆在填料表面或通过