氧化铝纤维填充HDPE复合材料制备与力学性能研究.docx

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氧化铝纤维填充HDPE复合材料制备与力学性能研究

氧化铝纤维/HDPE复合材料的制备与力学性能研究

王海侨1*，刘永荣1，马永梅2*，张帅2，曹欣宇2，柯毓才2

（1北京化工大学材料科学与工程学院北京100029）

（2中国科学院化学研究所新材料实验室，北京100080）

摘要：

本文选择了高密度聚乙烯作为基体、氧化铝纤维（Al2O3-F）为填料，使用双辊开炼机制备复合材料，在加工的过程中添加聚乙烯接枝丙烯酸（PE-AA）或聚乙烯接枝马来酸酐（PE-MA）作为增容剂来改善两者的界面。

对制备的复合材料的力学性能进行了研究。

研究结果表明，增容剂PE-AA可以使氧化铝纤维/HDPE复合材料的强度得到明显提高，当氧化铝纤维用量为50%时，拉伸强度和弯曲强度提高了88%和83%；未使用增容剂的复合材料拉伸强度和弯曲强度提高了35%和42%。

而增容剂PE-MA对样品的力学性能的改善结果不明显。

通过SEM观察发现，PE-AA的使用明显改善了纤维与基体的界面，从而复合材料得到提高。

关键词：

氧化铝纤维；高分子复合材料；增容剂；增强

ThepreparationandmechanicalpropertyoftheAluminafiber/HDPEcomposite

Liuyong-rong1,Zhangshuai2,Caoxinyu2,Keyuqun2,Wanghai-qiao1*,Mayong-mei2*

（1MaterialsscienceandengineeringInstituteofBeijinguniversityofchemicaltechnology

2LaboratoryofNewMaterials,CenterforMolecularScience,InstituteofChemistry,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080）

Abstract:

Apolymercompositewaspreparedbytwo-rollmixblender,usingHDPEasthematrixandthealuminafiberasfiller.Inordertoimprovetheinterfacebetweenthefillerandmatrix,polyethylenegraftedwithacrylicacid（PE-AA）andpolyethylenegraftedwithmaleicanhydride（PE-MA）wereusedascompatibilizersduringthepolymercompositeprogressing.Themechanicalpropertiesofthepolymercompositearestudied.

作者简介：

刘永荣（1976—），男，硕士，主要研究方向为高分子无机复合材料。

ThealuminafibercanstrengthentheHDPEwhenthecompatibilizerisaddedintothepolymercomposite.Whenthecontentofaluminais50（wt）%,thetensilestrengthandflexuralstrengthofthesamplewithPE-AAisincreasedby88%and83%comparedwiththeHDPE；thetensilestrengthandflexuralstrengthofthesamplewithoutcompatibilizerisincreasedby35%and42%comparedwiththeHDPE.TheSEMpicturesshowthattheinterfacebetweenthealuminafiberandHDPEisimprovedbytheuseofthePE-AA.

KEYWORDS：

aluminafiber,polymercomposite,compatibilizer,compatibilizer；strenghten

1前言：

高分子材料具有质轻、价格低和良好的加工性而在人们的日常生活中得到了广泛的应用。

目前航空、汽车工业为了提高产品性能追求材料更高的比强度，实行“以塑代钢”，对塑料的强度提出了更高的要求。

目前常用的增强塑料的方式是向聚合物中填充高强度纤维状的填料，常用的填料有玻璃纤维[1-3]、碳纤维[4-6]、碳纳米管[7,8]、氧化铝纤维[9]、蒙脱土[10,11]等等。

在纤维增强复合材料中连续相基体起到接受应力传导应力的作用，大部分的应力均有填料来承担。

因此纤维的长度[12-14]、纤维在基体中的分布[15-17]和基体与纤维之间的界面[6,18-20]是影响纤维增强效果的重要因素。

在各种影响增强效果的因素中基体与纤维之间的界面是一个最重要的影响因素，当基体与纤维填料界面结合很好的时候基体能将应力传递到纤维上，此时纤维能够起到增强的效果；当基体与纤维填料之间的界面结合不好的时候，应力无法从基体传递到填料上，此时填料无法起到承担应力的作用，纤维的增强作用无法发挥。

目前大量使用的高分子材料都是非极性或极性较低，而应用的填料大部分是极性无机填料，高分子材料与填料之间的相互作用比较弱，为了能够充分发挥纤维填料的增强作用需要对基体或者无机填料进行改性或者表面处理。

常用于增强高分子与无机填料相互作用的方式有：

基体预处理接枝极性聚合物[21-24]；对无机纤维填料进行预处理，常用处理剂有偶联剂[25-27]；基体与无机纤维填料混合过程中加入增容剂[28-31]，增容剂具有极性和非极性基团，在加工共混过程中极性基团与无机填料相互作用，非极性基团与高分子作用，增容剂从而起到高分子与纤维填料之间桥梁的作用，增强基体与无机填料之间的相互作用。

加入增容剂这种方式同前两种方式相比工艺简单，使用方便，节约成本。

本研究中使用氧化铝纤维填充高密度聚乙烯，研究两种不同的聚乙烯接枝物，聚乙烯接枝马来酸酐和聚乙烯接枝丙烯酸作为高密度聚乙烯和氧化铝纤维界面改性剂对于复合材料力学性能的影响，使用扫描电子显微镜（SEM）观察不同增容剂无机纤维与高分子基体之间的界面形貌。

找到一种能够有效改善氧化铝纤维/高密度聚乙烯界面的增容剂，并可扩展到其他纤维增强聚合物的研究。

2实验

2.1实验材料：

高密度聚乙烯（HDPE，5000S，中石化北京燕山石化有限公司），

氧化铝纤维（Al2O3-F），散棉160浙江秦兴高温纤维

聚乙烯接枝马来酸酐（PE-g-MA，试验室自制）

聚乙烯接枝丙烯酸（PE-g-AA，上海日之升新技术发展有限公司，CAG0104）

抗氧剂（B87-246）市售

2.2样品制备：

高密度聚乙烯（HDPE）和氧化铝纤维的共混样品使用双辊开炼机（江苏双象集团有限公司，（X（S）K-160）进行加工。

加工时前辊温度为140oC，后辊温度为130oC。

首先将HDPE粒料置于辊上，待塑化完全以后加入抗氧剂，然后加入一定量的增容剂，待基体与增容剂混合均匀以后加入不同质量的氧化铝纤维，将混合物混合10min以后下片。

将得到的片材裁成粒状。

使用注塑机注塑力学样条，注塑温度为200oC，样条的尺寸符合ASTM标准。

2.3测试表征：

复合材料的力学性能具体测试过程如下：

测试样条首先在23oC环境放置24小时，然后进行测试。

拉伸试验在Instron3365万能试验机上进行测试，测试标准按照ASTMD638来进行，最终结果是5个相同样条测试结果的平均值；弯曲试验也是在Instron3365万能试验机上进行测试，最终结果是5个相同样条测试结果的平均值；冲击试验在悬臂梁冲击试验机CSI-137进行，测试标准按照ASTMD256来进行。

摆锤下落的速度为3.5m/s，最终结果是10个相同样条测试结果的平均值。

冲击断面的表征使用扫描电子显微镜（SEM）（日本日立，JSM-6700FJEOL）。

纤维长径比保持的表征：

使用马弗炉，将样条在600oC进行灼烧，将基体灼烧掉以后放置到电子显微镜下进行观察纤维长径比保持情况。

热重测试使用热重分析仪（美国Perkin-Elmer，TGA-7）来进行测试，测试气氛为空气气氛，测试温度室温到600oC，升温速率为10oC/min）

3结果与讨论

3.1不同增容剂对复合材料力学性能的影响及选择

试验中，对使用不同种类的增容剂制备的复合材料的力学性能随氧化铝含量的变化规律进行了研究。

图3分别是未使用增容剂制备的Al2O3-F/HDPE复合材料，PE-g-AA用量占HDPE基体5%（wt）和PE-g-MA用量占HDPE基体6%（wt）的三种样品的力学性能随氧化铝质量填充分数的变化曲线。

从图3（a）中可以看到，在Al2O3-F含量0-10%时，三种样品的冲击强度随着Al2O3-F加入量的增加急剧降低。

与当Al2O3-F含量大于10%以后，样品的冲击强度随着Al2O3-F加入量的增加降低幅度变缓。

在相同Al2O3-F含量时，三种样品中加入PE-g-MA的样品的冲击强度最大，未使用增容剂的次之，使用PE-g-AA的样品的冲击强度最小。

从图3（b）中可以发现，氧化铝含量在0-5%间变动时，未使用增容剂的样品和使用PE-g-MA样品，其拉伸强度都随着Al2O3-F含量的增加而急剧增加。

但是当Al2O3-F含量大于5%以后，样品的冲击强度随着氧化铝含量的变化基本保持不变。

使用PE-g-AA的样品，其拉伸强度随着Al2O3-F含量的增加而急剧增加。

Al2O3-F含量大于5%以后，尽管变化趋势相对于Al2O3-F含量0-5%区间变化趋势变缓，但是，拉伸强度依然随着Al2O3-F含量的增加而提高。

当Al2O3-F含量为50%时，未使用增容剂的样品的拉伸强度比纯HDPE提高了35%；使用PE-g-AA的样品拉伸强度比纯HDPE提高了88%。

图3使用不同种类增容剂复合材料力学性能随氧化铝含量变化曲线

（a）冲击强度（b）拉伸强度；（c）弯曲强度图3（c）中，三种样品的弯曲强度均随着Al2O3-F含量的增加而提高，但是变化趋势不同。

在Al2O3-F含量0-40%范围内，使用增容剂PE-g-AA和PE-g-MA两种样品的弯曲强度随Al2O3-F含量的增加始终保持增加，但是使用增容剂PE-g-AA的样品的弯曲强度的增加幅度大于使用PE-g-MA的样品。

在Al2O3-F含量0-5%间，未使用增容剂的样品弯曲强度随着Al2O3-F含量增加保持不变；但是当Al2O3-F含量增加到5-10%时，其增加的趋势加快；继续将Al2O3-F含量增加到10-40%时，其增加趋势开始变缓。

在相同Al2O3-F含量下，比较三种样品的弯曲强度，可以看到，加入PE-g-MA的样品的弯曲强度最小，未使用增容剂的次之，使用PE-g-AA的样品的弯曲强度最大。

在氧化铝含量为50%时，未使用增容剂的样品弯曲强度比纯HDPE提高了42%；使用PE-g-AA的样品弯曲强度比纯HDPE提高了83%。

无机纤维增强高分子材料，纤维与高分子之间界面的相互作用对于最终无机纤维的增强效果有非常大的影响。

我们使用增容剂聚乙烯接枝丙烯酸（PE-AA）和聚乙烯接枝马来酸酐（PE-MA）来改善无机纤维与高分子之间的相互作用，通过对比实验，我们选择PE-AA为增容剂，方法简单，易于工业化生产。

3.2不同增