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生物相容剂(ESO-g-S-HPG)提高CaCO3/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料的相容性和力学性质

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生物相容剂(ESO-g-S-HPG)提高CaCO3/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料的相容性和力学性质    |    2022-09-23  |   
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相容剂在聚合物复合材料领域至关重要。它们可提高(1)聚合物与填料或增强剂之间的相容性;(2)填料或增强剂在基质中的分散性。典型的相容剂含有两性基团,它可通过物理作用或化学反应与不同极性的两种材料连接,增强两种材料的界面粘附性并形成稳定结构,最终使连续相兼容。常用的连续相材料为热塑性树脂和热固性树脂。热塑性树脂环境友好,加热可达熔点,冷却即恢复。热固性树脂,如高密度聚乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)是典型的连续相材料。HDPE聚合物的结晶度高(60-80%)、熔点高(135℃),可通过支化聚乙烯与共单体聚合获得。HDPE的长链和短链数量非常少(每1000个碳原子<2个甲基)。一般填料组分(相容剂和填料)和树脂通过熔融混合制备复合材料。目前,常用的无机填料有CaCO3、二氧化硅、云母等。由于廉价、使用方便、白度好、性能好、可提高材料的拉伸强度、拉伸模量和韧性,CaCO3是制备聚合物复合材料时使用最多的填料。加入CaCO3不仅可提高材料的力学性能,也可提高熔化热、结晶度、成核过程以及硬度。通过控制CaCO3的用量和冷却过程可获得结晶度适合的材料来制备透明的塑料产品,如透明薄膜和电器外壳。

由于上述原因,大多数业内公司都采用CaCO3作为填料,并添加相容剂以降低HDPE复合材料的制备总成本。增容剂的选择和用量是影响复合材料性能的重要因素,合适的增容剂用量可提高复合材料的性能。当CaCO3含量较低时,小分子增容剂,如钛酸酯和铝酸酯耦合剂是有效的,但当CaCO3含量较高时(40 wt%),这些小分子耦合剂的效果并不明显。大分子相容剂,如接枝马来酸酐的聚烯烃树脂、接枝丙烯酸的聚烯烃树脂虽然能适度的提高树脂和填料的相容性,但需加入5-8wt%才有效果,且这些相容剂会降低材料的热形变温度,最终导致不必要的交联和复合材料降解。另外,上述两种相容剂都是合成的,不利于绿色环境的发展。因此,使用绿色和可再生资源做原材料合成相容性好、可显著提高复合材料性能的相容剂是当前的研究方向。环氧大豆油(ESO)是大豆油经环氧化反应而得到的一种可再生资源。ESO分子链中含有4-6个环氧基团,在适当条件下可发生开环反应。

桂林科技大学、曙光橡胶工业研究设计院的陆绍荣教授等用ESO、丝氨醇、缩水甘油作为原料,合成了新型绿色相容剂ESO-g-HPG,并用其提高HDPE与CaCO3的相容性。研究结果表明,经ESO-g-HPG改性的CaCO3可有效强化CaCO3/HDPE的力学性能。相比于不添加ESO-g-HPG的CaCO3/HDPE复合材料,添加1wt%(根据CaCO3的重量计算)ESO-g-HPG和30wt% CaCO3的复合材料,其拉伸强度和抗冲击强度分别提高了33.5%和25.7%。加入40wt%的CaCO3,拉伸强度和抗冲击强度提高26.4%和800.8%。相比于市售相容剂TA 1618,所得新型相容剂对提高复合材料力学性能的效果更为显著,这是由于ESO-g-s-HPG提供了更好的界面相容性。SEM测试表明,ESO-g-s-HPG能有效减小CaCO3和HDPE界面区域的间隙尺寸。分子动力学模拟说明,通过抑制填料聚集,ESO-g-s-HPG的超支化结构可显著强化填料和聚合物之间的相互作用。超支化相容剂可形成桥接的NP连接以保持拉伸时复合材料的强度。ESO-g-s-HPG还可提高CaCO3/HDPE复合材料的热性能。

图. (a)模拟材料的合成示意图,红色球代表相容剂的碳链,蓝色球代表末端羟基;(b) ESO-g-s-HPG的结构; (c) ESO的结构

文献来源:Hua Zhou , Liangdong Ye , Shanrong Li , Ziwei Li**, Zhouqiao Wei , Zhiyi Huang*** , Shaorong Lu* , Dongming Chen, Zuocai Zhang, Yuqi Li. Composites Science and Technology 2022, 219, 109251.

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