談改性HDPE復(fù)合材料物理力學(xué)性能

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摘要：改性hdpe復(fù)合材料是一種新型的高分子材料，在建筑工程項(xiàng)目、汽車行業(yè)、航空航天領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。該材料具有良好的物理力學(xué)性能，能夠滿足現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的要求，達(dá)到節(jié)能減排的效果。改性HDPE復(fù)合材料的具體物理力學(xué)性能受到制備技術(shù)的影響，通過對(duì)改性HDPE復(fù)合材料的制備工藝技術(shù)展開探索，對(duì)比不同含量HDPE下復(fù)合材料的不同物理力學(xué)性能，旨在找到一種高效率、高性能的改性HDPE復(fù)合材料。

關(guān)鍵詞：改性HDPE復(fù)合材料；物理性質(zhì)；力學(xué)性能

近年來，構(gòu)建能源節(jié)約型、生態(tài)環(huán)保型社會(huì)已經(jīng)勢(shì)在必行，在傳統(tǒng)粗放式經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，各行業(yè)形成的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式、生產(chǎn)原料明顯不再適應(yīng)時(shí)展的要求，在綠色環(huán)保發(fā)展理念的影響下，引入新型材料、新型工藝技術(shù)至關(guān)重要。改性高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）復(fù)合材料作為一種新型的工藝材料，具有良好的物理力學(xué)性能，因而得到廣泛的應(yīng)用。本試驗(yàn)通過對(duì)改性HDPE復(fù)合材料物理力學(xué)性能的探討，旨在全面提升社會(huì)對(duì)其的科學(xué)認(rèn)知水平，為改性HDPE復(fù)合材料的優(yōu)化應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。

1改性HDPE復(fù)合材料的應(yīng)用意義

HDPE具有耐濕性、介電性以及化學(xué)穩(wěn)定性等良好的加工性能，在各行業(yè)的應(yīng)用中，通過添加填充料使其滿足原料需求。但是，在HDPE復(fù)合材料的加工應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)其存在機(jī)械性能差、老化程度嚴(yán)重以及表面硬度低等缺陷，嚴(yán)重制約了HDPE復(fù)合材料的規(guī)模化、市場(chǎng)化應(yīng)用，因此，展開HDPE復(fù)合材料的改性研究意義重大。根據(jù)高分子材料的生產(chǎn)制備工藝原理可知，可以通過填充填料的方式，展開高密度聚乙烯材料的改性制備，而填充的雜料不同獲得的力學(xué)性能等是不同的。如當(dāng)前有學(xué)者指出，可以采用熔融共混法制備乙二胺公價(jià)功能化改性高密度聚乙烯復(fù)合材料[1]，由此增強(qiáng)了HDPE復(fù)合材料的耐熱穩(wěn)定性能。在制備試驗(yàn)結(jié)果中也可以發(fā)現(xiàn)，采用不同質(zhì)量配比的雜料填充，形成的改性HDPE復(fù)合材料的物理力學(xué)性能差異較大。在綠色環(huán)保發(fā)展理念下，無論采用何種改性工藝技術(shù)，其本質(zhì)在于需要采用綠色環(huán)保的填充材料，且制備出來的改性HDPE復(fù)合材料必須能夠滿足當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展的需求。如制備出來的改性石膏晶須HDPE復(fù)合材料具有較高的物理力學(xué)性能，可以被應(yīng)用到航天航空、汽車等領(lǐng)域中，提升行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)效率。因此，在眾多的HDPE復(fù)合材料制備研究中，本試驗(yàn)主要展開對(duì)石膏晶須HDPE復(fù)合材料的改性制備研究，具體如下所示。

2HDPE復(fù)合材料的改性處理方案

2.1HDPE復(fù)合材料的改性試驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）原料。在本試驗(yàn)中需要HDPE、磷石膏晶須材料、硅烷偶聯(lián)劑（KH550）。（2）原料處理。試驗(yàn)需要的原料需要進(jìn)行改性處理，通過設(shè)置對(duì)照組試驗(yàn)的方式，展開對(duì)改性HDPE復(fù)合材料的物理力學(xué)性能的分析。HDPE復(fù)合材料的改性制備處理需要對(duì)磷石膏晶須與硅烷偶聯(lián)劑按比例（95∶5）進(jìn)行混合，共混的溫度達(dá)到120℃，時(shí)間控制為20min，制備成改性的HDPE復(fù)合材料試樣40份[2]，未改性的磷石膏晶須試樣40份以及單一HDPE試樣220份。HDPE復(fù)合材料的配方如表1所示。

2.2HDPE復(fù)合材料的改性試驗(yàn)測(cè)試設(shè)置好改性

HDPE復(fù)合材料的試驗(yàn)參數(shù)之后，展開對(duì)3份試樣的物理力學(xué)性能的測(cè)試分析。（1）力學(xué)性能測(cè)試。復(fù)合材料的力學(xué)性能主要根據(jù)GB/T889—2015的沖擊性能標(biāo)準(zhǔn)，采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行捶打試驗(yàn)，對(duì)測(cè)試后的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。其中，拉伸強(qiáng)度參照GB/T1040.2—2006DE標(biāo)準(zhǔn)展開測(cè)試分析，彎曲強(qiáng)度性能參照GB/T9314—2008標(biāo)準(zhǔn)展開測(cè)試分析。（2）濕度表征測(cè)試。HDPE本身具有較高的耐濕性，這一物理特征使其擁有較強(qiáng)的介電性，因此，在改性后的HDPE復(fù)合材料的物理力學(xué)性能測(cè)試中，需要對(duì)其潤(rùn)濕角表征進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)前主要采用壓片測(cè)試的方式，可利用接觸角測(cè)量?jī)x（DSA25）展開潤(rùn)濕角測(cè)量。（3）差示掃描量熱儀（DifferentialScanningCalorimeter，DSC）表征的測(cè)量。DSC是對(duì)改性后的HDPE復(fù)合材料的吸熱和放熱速率的測(cè)量，是高聚物在加工制造過程中受熱產(chǎn)生變形情況的主要參數(shù)指標(biāo)。試驗(yàn)主要是通過試樣切片的方式，將10mg左右的樣品放置在鋁坩鍋中，按照GB/T19466.1—2004質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試后得到的時(shí)間、溫度按照計(jì)算公式得出。當(dāng)溫度為100℃時(shí)，改性HDPE復(fù)合材料的熔融熱焓值為287.3J/g。（4）掃描電鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）表征測(cè)試。SEM表征測(cè)試主要為了測(cè)試改性HDPE復(fù)合材料的材料表面的形貌、成分、晶體取向、電磁特征等信息[3-4]。試驗(yàn)主要將改性后的HDPE復(fù)合材料試樣放置在液氮中冷卻3h以上，取出試樣后迅速進(jìn)行沖斷，對(duì)斷口表面進(jìn)行掃描觀察，得出SEM相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

3改性HDPE復(fù)合材料的物理力學(xué)性能研究

3.1改性HDPE復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集和分析可知，改性磷石膏晶須對(duì)于HDPE復(fù)合材料的力學(xué)性能的綜合影響如圖1所示。（1）抗沖擊強(qiáng)度的分析。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，改性后的HDPE復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度可以達(dá)到44.33kJ/m2，而純HDPE復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度只有33.71kJ/m2，前者的抗沖擊強(qiáng)度增加了10.62kJ/m2。后者在經(jīng)過加工之后的抗沖擊強(qiáng)度更小，無法滿足汽車生產(chǎn)的實(shí)際需求。若是直接應(yīng)用磷石膏晶須HDPE復(fù)合材料，則實(shí)際應(yīng)用效率較低，只有經(jīng)過改性技術(shù)處理之后，才能夠確保HDPE復(fù)合材料的力學(xué)抗沖擊強(qiáng)度得到較大幅度的提升，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。（2）拉伸強(qiáng)度的分析。主要是指材料在加工和應(yīng)用中所能承受的最大均勻的塑性變形的抗力，抗拉伸強(qiáng)度越大，材料的斷裂抗力越小，可塑性越高，使用壽命越長(zhǎng)。根據(jù)圖1可知，常規(guī)的HDPE復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度為23.95MPa，而改性后的磷石膏晶須的抗拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到25.54MPa，未改性的磷石膏晶須的抗拉伸強(qiáng)度達(dá)到25.87MPa。磷石膏晶須HDPE復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度較純HDPE復(fù)合材料高1.95MPa以上，改性或是未改性對(duì)磷石膏晶須的HDPE復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度的變化和影響不大[5]。（3）抗彎曲強(qiáng)度的分析。主要是指復(fù)合材料在接受外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的各種狀態(tài)?？箯澢鷱?qiáng)度越大，材料所能承受的外力作用越大，在生產(chǎn)應(yīng)用中的適用范圍也越大。在改性HDPE復(fù)合材料的抗彎曲強(qiáng)度的測(cè)試中可以發(fā)現(xiàn)，純HDPE復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度為378.34MPa，而增容后的磷石膏晶須的HDPE復(fù)合材料的抗彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出近40%的增速，達(dá)到529.67MPa，即便是改性處理后的磷石膏晶須HDPE復(fù)合材料的抗彎曲強(qiáng)度也提升了94.59MPa左右。整體上來看，改性HDPE復(fù)合材料的抗拉伸強(qiáng)度變化不大，而抗彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度有向好的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2改性HDPE復(fù)合材料的其他物理性質(zhì)分析

（1）潤(rùn)濕角的分析。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，未改性之前的磷石膏晶須HDPE復(fù)合材料的潤(rùn)濕效果較高，親水性強(qiáng)，而改性之后其潤(rùn)濕角的潤(rùn)濕面積變小，復(fù)合材料表面的自由能降低，有效地減少了材料內(nèi)部粉體間粒子的團(tuán)聚情況，由此起到提高抗沖擊強(qiáng)度的作用。（2）DSC和SEM的分析。改性后的HDPE復(fù)合材料的結(jié)晶峰溫朝著低溫方向移動(dòng)的趨勢(shì)，其熔點(diǎn)從133℃下降至131℃左右，結(jié)晶能力變差，復(fù)合材料的鏈柔性提高，分子結(jié)構(gòu)更加松散，在遇到外力沖擊時(shí)，表面出更高的韌性。通過對(duì)復(fù)合材料斷面的低倍微觀結(jié)構(gòu)的觀察可知，改性后的復(fù)合材料的內(nèi)部的晶須團(tuán)聚較多、分散性較差，因此，容易在外力作用下出現(xiàn)斷裂、而改性后的復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出均勻分散、晶須團(tuán)聚小等情況，在外力作用下，能夠發(fā)揮明顯的補(bǔ)強(qiáng)作用。改性HDPE復(fù)合材料的物理力學(xué)性能呈現(xiàn)出更加優(yōu)質(zhì)的水平。

4結(jié)語

普通的HDPE復(fù)合材料雖然具有質(zhì)量輕、化學(xué)性質(zhì)好，且在常溫下不溶于一般溶劑的優(yōu)點(diǎn)，但也存在韌性和剛度不高的情況，無法滿足特殊領(lǐng)域中對(duì)高分子材料的應(yīng)用要求，大大地影響社會(huì)各層面的發(fā)展。改性HDPE復(fù)合材料正是通過使用增溶劑等方式制備新的高密度聚乙烯復(fù)合材料，經(jīng)過制備工藝優(yōu)化改性之后的HDPE復(fù)合材料在物理力學(xué)性能方面展現(xiàn)出更多的優(yōu)勢(shì)，如改性HDPE復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度都比未改性之前提高很多。

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作者：胡克平 單位：淄博職業(yè)學(xué)院