高密度聚乙烯硅烷偶联剂改性硫酸钙晶须复合材料的制备与性能

随着功能性高分子材料的迅速发展，聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）以及高密度聚乙烯（HDPE）等塑料的生产工艺不断提高。其中，HDPE由于具有优越的化学稳定性、耐磨性、电绝缘性能及优异的机械强度等特殊性能，被广泛应用于商品包装、建筑建材、医用塑料以及农业薄膜等领域。但随着应用领域的增加，局限性也随之显现，HDPE在实际应用中具有脆性强、降解性及耐候性差等缺陷。有研究发现，利用价格低廉且性能优异的无机填料对HDPE进行填充改性可弥足这些不足。硫酸钙晶须（CSW）是一种晶体结构近乎完美的新型无机纳米填料，不仅成本低廉，而且具有优异的热稳定性、绝缘性、高拉伸强度和弹性模量，常用作增强高聚物的机械加工性及热稳定性等方面的优良填料。但随着无机材料改性HDPE越来越普遍，却无法同时提高HDPE的力学性能、结晶性能和可加工性能。原因在于HDPE极性较弱，同时CSW具有较高的长径比，在制备HDPE/CSW复合材料时，CSW常在HDPE内部团聚。如何进一步增强CSW在HDPE内部的分散性，增强两者之间的界面相容性，保证良好的力学性能、结晶性能和可加工性能是目前研究难题所在。相关研究表明，硅烷偶联剂常用来提高无机填料的分散性，在无机材料与有机材料之间存在“桥梁”的作用。为此，本研究采用熔融共混挤出造粒工艺制备了HDPE/CSW复合材料。先采用KH570对CSW进行表面改性，再与HDPE熔融共混，在增强CSW与HDPE的界面相容性的同时，降低CSW在HDPE基体中的团聚现象，提高复合材料的机械加工性。然后通过对HDPE/CSW复合材料进行力学性能、热失重（TG）、差示扫描量热法（DSC）、结晶和降解动力学分析，研究不同含量的CSW对HDPE/CSW复合体系的力学性能、结晶性能与热稳定性能的影响，利用结晶模型和热降解模型探究复合体系的非等温结晶动力学与热降解动力学。摘要：以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）改性的硫酸钙晶须（CSW）为高密度聚乙烯（HDPE）的填料，采用熔融共混法制备了HDPE/CSW复合材料。通过SEM、XRD、TG、DSC表征了KH570改性的CSW对复合材料HDPE/CSW的性能影响。结果表明，改性CSW质量分数为20%时，HDPE/CSW的拉伸和弯曲强度比纯HDPE分别增加9.28%和33.04%，且易产生异相结晶，提升了HDPE/CSW复合材料的耐热性和结晶度。纯HDPE的热降解反应活化能为244.11kJ/mol，改性CSW质量分数为50%时，HDPE/CSW复合材料的热降解反应活化能降到236.99kJ/mol，表明CSW提升了HDPE/CSW复合材料的热降解反应速率，扩展了复合材料的使用范围。结论首先采用KH570对CSW进行表面改性，作为HDPE的填充纳米粒子，采用熔融共混挤出制备HDPE/CSW复合材料，改性CSW掺杂提升了HDPE的机械加工性能，提高了HDPE/CSW复合材料的耐热性。当改性CSW质量分数为20%时，在HDPE基体中的改性CSW作为异相存在，采取异相成核的方式结晶，提高了HDPE的结晶度，此时拉伸强度为（30.85±0.5）MPa，弯曲强度为（25.85±0.2）MPa，较纯HDPE的拉伸强度和弯曲强度（28.23±0.5）MPa和（19.43±0.2）MPa分别提升了9.28%和33.04%。改性CSW含量继续提高会在HDPE基体中形成较多的缺陷和团聚现象，会降低复合材料的结晶度。改性CSW的加入使得HDPE的热降解反应活化能从纯HDPE的244.11kJ/mol降到HDPE/CSW-50%的236.99kJ/mol，提升了热降解反应速率。Coast-Redfern方程模型得到，HDPE/CSW复合材料热降解机理函数为g(α)=[1–(1–α)]1/1，反应级