滑石粉增强PE复合材料性能的研究

Study on Properties of Talcum Powder Reinforced PE Composites

摘要

研究旨在利用不同粒径滑石粉增强改性聚乙烯（PE），探究不同粒径（小粒径777A，大粒径T84）滑石粉掺量对PE复合材料力学性能及耐热性能的影响。结果表明：掺入不同粒径滑石粉制备PE复合材料，有效改善了PE复合材料的工作性能、力学性能和耐热性能。当777A和T84滑石粉掺量为15%时，所制备的PE复合材料的熔体流动速率分别为5.93、6.01 g/10 min，表观密度分别为1.011、1.128 g/cm³，拉伸强度分别为28.21、29.56 MPa，维卡软化温度分别为89、92 ℃。较大粒径的T84滑石粉制备的PE复合材料的改善效果最优。

关键词

滑石粉 / 粒径 / 聚乙烯 / 排水管

Key words

Talc powder / Particle size / Polyethylene / Drainage pipe

排水管壁厚相对较薄，但仍具有较高的刚度和耐用性，能够承受排水系统所需的水压力和地下挤压力，能够适应周围高温、酸性和碱性等复杂的环境^[1-2]。排水管通常采用聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等塑料材料制成^[3]，具有良好的柔韧性和较高的强度，被广泛应用于建筑、农业、工业等多个领域的排水系统中。其中，PE排水管因其质轻、价格便宜、耐腐蚀和耐冲击等特点，在市政工程和建筑行业中获得了广泛的应用^[4-5]。但是，PE排水管存在强度不够、耐化学性和工作性能不足等问题^[6]，因此PE排水管改性成为目前的研究热点。

滑石粉是一种层状材料，通常是由硅酸镁组成的天然矿物^[7]。滑石粉具有层状结构，其分子层之间通过弱的范德华力相互吸引而结合在一起^[8]。这种层状结构赋予了滑石粉独特的物理和化学性质。将滑石粉与高分子材料混合可以有效地增加高分子材料的强度、刚度和硬度，改善其力学性能，使其更适合承受各种机械应力和载荷^[9-10]。同时，滑石粉在高分子基体中的均匀分散可以有效地提高材料的耐热性、热稳定性以及耐化学性^[11]。目前，研究人员也利用滑石粉增强改性PE材料。沈若冰^[12]探究了超细滑石粉对超高分子量聚乙烯树脂性能的影响，研究发现树脂的硬度和流动性能均得到有效提升。刘洋等^[13]在PE中加入滑石粉，发现PE复合材料的力学性能和阻燃性能等都得到有效改善。李在华^[14]发现，掺入滑石粉能够有效提升PE复合材料的热稳定性、冲击强度和硬度。滑石粉颗粒具有不同粒径，粒径的大小对滑石粉的应用性能有着重要影响^[15-16]，其中，较粗的粉末一般用于填充增强，提高材料的强度和硬度；而较细的粉末则更适用于提高材料的表面质量以及改善成型性能等。由于不同粒径滑石粉在比表面积、分散性、界面效应和填充效率等方面的差异，导致其在增强聚合物材料等方面的具体效果可能存在一定差异。但是，目前鲜有针对不同粒径滑石粉对PE复合材料性能影响的研究。

本实验采用不同粒径的滑石粉颗粒改性增强PE复合材料，研究不同掺量的滑石粉对PE复合材料工作性能、力学性能和耐热性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚乙烯(PE)，M-2，北京助剂二厂；抗氧剂，1330，北京化工三厂；滑石粉，TYT-777A(3 000目普通滑石粉，径厚比15)，辽宁海城添源化工有限公司；滑石粉，HAR T84(1 250目特殊滑石粉，径厚比30)，益瑞石(上海)投资管理有限公司。

1.2 仪器与设备

高速混合机，456-5，莱州龙沣化工机械有限公司；双螺杆挤出机，SHJ-30，南京瑞亚高聚物装备有限公司；注射机，BS80-Ⅲ，广州博创机械有限公司；熔体流动速率(MFR)测试仪，FR-1811A，上海发瑞仪器科技有限公司；万能拉伸试验机，WDW-5E，济南全力测试技术有限公司；维卡软化温度测定仪，TCWK-300，河北拓丰仪器设备有限公司。

1.3 样品制备

表1为滑石粉增强PE复合材料配方。将滑石粉按质量分数0、5%、10%、15%及20%与PE进行混合，添加抗氧剂与润滑剂之后，通过高速混合机进行混合，混合均匀后采用双螺旋挤出机进行造粒，借助注射机注塑制备获得滑石粉增强PE复合材料，注射温度为180~230 ℃。

1.4 性能测试与表征

MFR测试：按ISO 1133-1/2:2011进行测试，载荷为2.16 kg、温度为230 ℃。

表观密度测试：按GB/T 1033.1—2008进行测试，每组测5个重复。

拉伸性能测试：按ASTM D638—2003进行测试，拉伸速率为10 mm/min。

维卡软化温度测试：按GB/T 1633—2000进行测试。

2 结果与讨论

2.1 工作性能分析

MFR是1个反映塑料材料熔融状态下流动性的指标，通常用于评估塑料的加工性能。MFR越大，表示塑料材料在熔融状态下流动性越好，加工性能越好^[17]。PE管材料MFR的大小可以直接影响PE管材的挤出加工性能、成型性能及热融合性能等工作性能^[18]。图1为添加不同粒径滑石粉对PE复合材料MFR的影响。

从图1可以看出，随着不同粒径滑石粉掺量的增加，采用777A制备的PE复合材料的MFR呈现先上升后小幅度降低的趋势，当滑石粉掺量超过15%时，777A制备的PE复合材料的MFR出现下降；采用T84制备的PE复合材料的MFR在滑石粉掺量为15%时高于采用777A制备的PE复合材料，继续增加滑石粉掺量，对MFR无影响。在滑石粉掺量为15%时，采用777A及T84制备的PE复合材料的MFR分别为5.93、6.01 g/10 min，且分别较未掺入滑石粉的PE材料增加了28.63%和30.37%。结果表明，适量掺入滑石粉可以有效提升共混物的加工性能和加工效率，降低加工消耗，尤其是具有较大粒径的T84滑石粉表现更为优异。

2.2 表观密度和收缩率分析

表观密度反映了PE管材的填充性和堆积性，一般情况下，密度较高的PE管材可能具有更好的力学性能^[19]。表2为掺入不同粒径滑石粉的PE复合材料的表观密度。

从表2可以看出，随着不同粒径滑石粉掺量的增加，PE复合材料的表观密度均呈现先上升后稳定变化的趋势，其中当滑石粉掺量为15%时，采用777A及T84制备的PE复合材料的表观密度均达到最高，分别为1.011、1.128 g/cm³。结果表明，在PE管材制备的过程中掺入滑石粉，尤其是较大粒径的T84滑石粉，在有效优化PE复合材料的密度方面发挥重要作用。

2.3 力学性能分析

PE管的力学性能直接影响其在实际应用中的使用性能和可靠性。图2为掺入不同粒径滑石粉制备的PE复合材料的应力-应变曲线和拉伸强度。

从图2可以看出，随着不同粒径滑石粉掺量的增加，PE复合材料的拉伸强度呈现先上升后稳定波动变化的趋势，在掺量为15%时，采用777A制备的PE复合材料的拉伸强度为28.21 MPa，采用T84制备的PE复合材料的拉伸强度为29.56 MPa。具有较大粒径的T84滑石粉在改善PE复合材料的力学性能方面发挥更大的作用，主要是由于较大粒径的T84滑石粉在PE复合材料基质中的填充作用较强，进一步阻碍了PE分子运动，从而增强材料的刚性，改了善PE复合材料的拉伸强度^[20]。

2.4 维卡软化温度分析

在排水管的应用中，维卡软化温度是1个重要的性能指标。如果排水管的维卡软化温度较低，在高温环境下，管道材料可能会软化、变形甚至失去结构完整性，从而导致管道系统的故障或泄漏^[21-22]。图3为添加不同粒径滑石粉对PE复合材料维卡软化温度的影响。

从图3可以看出，随着不同粒径滑石粉掺量的增加，PE复合材料的维卡软化温度呈现先上升后稳定变化的趋势，且当掺量为15%时，采用777A和T84滑石粉制备的PE复合材料的维卡软化温度分别为89、92 ℃，较纯PE复合材料的维卡软化温度分别增加了14.87%和17.35%。掺入适量滑石粉有助于提升PE复合材料的耐热性能，主要是由于滑石粉结构中还有氧化镁和二氧化硅等物质，具有较高的耐热性能^[23]，除此之外，较大粒径的滑石粉充分填充在PE基质中，阻碍了PE中分子链段的热运动，从而提高了其维卡软化温度和耐热性能^[24]。

3 结论

掺入不同粒径滑石粉制备PE复合材料，有效改善了PE复合材料的工作性能、力学性能和耐热性能。

随不同粒径滑石粉掺量的增加，PE复合材料的MFR、表观密度、拉伸强度及维卡软化温度均呈现先上升后小幅度降低或者波动变化的趋势。

当777A和T84滑石粉掺量为15%时，所制备的PE复合材料的MFR分别为5.93、6.01 g/10 min，表观密度分别为1.011、1.128 g/cm³；拉伸强度分别为28.21、29.56 MPa，维卡软化温度分别为89、92 ℃。

较大粒径的T84滑石粉制备的PE复合材料的改善效果最优。

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