Weiterer Optimierungsplan für Calciumcarbonat-verstärktes modifiziertes Polyethylen (PE)

Polyethylen (PE) ist einer der Kunststoffe, der in der industriellen Produktion die größte Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat. Es bietet die Vorteile einer hervorragenden Kältebeständigkeit, Beständigkeit gegen die meisten Säure- und Laugenkorrosion, gute chemische Stabilität, schnelle Formbarkeit und hohe Bearbeitbarkeit. Es wird häufig in Verpackungen, Baumaterialien, Automobilen, der Biologie und anderen Bereichen eingesetzt. Seine weitere Anwendung wird jedoch durch seine Nachteile wie geringe Hitzebeständigkeit und relativ geringe mechanische Eigenschaften eingeschränkt.

Ultrafeines CaCO3 hat eine kleine Partikelgröße und eine gute Dispersion. Es hat den Vorteil, Poren und Hohlräume in Kunststoffen zu reduzieren und deren Schrumpfung gleichmäßiger zu gestalten. Es wird in Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und Polypropylen eingefüllt. Unter anderem kann es die Härte, Dimensionsstabilität und Steifigkeit von Kunststoffprodukten verbessern.

Zahlreiche Studien haben jedoch gezeigt, dass die alleinige Verwendung von Calciumcarbonat oder anderen Füllstoffen zum Füllen modifizierter Polymere oder zum Modifizieren anderer Materialien oft nicht die besten Ergebnisse erzielt und die Leistungsverbesserung relativ einfach ist. Die zusammengesetzte Modifikation verschiedener nichtmetallischer Mineralpulver hat oft bessere Effekte und kann die Gesamtleistung von Materialien verbessern. Mittlerweile gibt es immer mehr Forschungsanwendungen.

Untersuchungen von Yang Changyou und anderen haben gezeigt, dass Nano-CaCO3 die Kompatibilität und thermische Stabilität von Polyethylen-Verbundwerkstoffen verbessern kann, während Bagasse-Fasern (BF) die Kristallinität und Zähigkeit von Verbundwerkstoffen verbessern können. Beides kann die mechanischen Eigenschaften und die Mechanik von Verbundwerkstoffen effektiv verbessern.

01 Klassifizierung von Polyethylen PE

PE wird nach seiner chemischen Struktur, seinem relativen Molekulargewicht und seiner Polymerisationsmethode unterteilt. Es kann hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt werden: Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE).

▷Polyethylen niedriger Dichte

LDPE weist eine breite relative Molekulargewichtsverteilung und eine geringe Kristallinität auf und reagiert empfindlich auf Scherverdünnung. Es kann während des Formgebungsprozesses zu einer Kaltverfestigung kommen, sodass LDPE gute optische Eigenschaften und eine gute Verarbeitbarkeit aufweist. Da der Elastizitätsmodul des kristallinen Bereichs deutlich höher ist als der des amorphen Bereichs, sind Steifigkeit und Zugfestigkeit von LDPE geringer, Zähigkeit und Bruchdehnung jedoch höher.
LDPE wird hauptsächlich in Kunststoffverpackungsbeuteln, Agrarfolien, Spritzgussprodukten usw. verwendet.

▷Polyethylen hoher Dichte

HDPE Rohrextrusionslinie HDPE weist eine hohe Zähigkeit, Steifigkeit und mechanische Eigenschaften auf, altert und verformt sich jedoch leicht und hat eine geringe Oberflächenhärte. HDPE kann in Rohren, Spritzgussteilen, Blasformteilen, Fischernetzen, Seilen, Verpackungsfolien und anderen Produkten verwendet werden. HDPE verfügt über eine gute Isolierung und kann als Umhüllungsmaterial für Drähte und Kabel sowie für einige Gehäuse von Haushaltsgeräten verwendet werden.

▷Lineares Polyethylen niedriger Dichte

LLDPE ist ein neuer Polyethylentyp, der in den letzten Jahren rasant entwickelt wurde. Es ist ein Copolymer aus Ethylen und einem Olefin. Im Vergleich zu Polyethylen niedriger Dichte weist lineares Polyethylen niedriger Dichte ein ähnliches Aussehen, einen guten Oberflächenglanz und eine bessere Kältebeständigkeit auf, ist jedoch weniger transparent. LLDPE ist derzeit in fast allen traditionellen Polyethylenmärkten vertreten, darunter Folien, Formteile, Rohre, Drähte und Kabel.

02 Modifizierung von Polyethylen PE

Einfaches Polyethylen weist mechanische Eigenschaften wie unzureichende Wärmealterungsbeständigkeit, Sprödigkeit bei niedrigen Temperaturen, geringe Härte und schlechte Schlagfestigkeit auf. Daher muss die Modifizierungsbehandlung gezielt erfolgen.

Derzeit umfasst die Modifizierung von PE hauptsächlich zwei Modifizierungsmethoden: die chemische und die physikalische Modifizierung. Bei der physikalischen Modifizierung handelt es sich bei der füllstoffverstärkten Modifizierung um eine Mischung oder einen Verbundwerkstoff, der durch Zugabe von Modifizierungsmitteln zu Polyethylen und anschließendes Mischen hergestellt wird, um bestimmte Eigenschaften des Polyethylens zu verbessern oder dem Polyethylen neue Eigenschaften zu verleihen.

Zu den derzeit häufig verwendeten anorganischen Füllstoffen gehören hauptsächlich Calciumcarbonat, Quarzpulver, Holzmehlfasern, Reisstroh-/Zuckerrohrfasern, Kieselsäure, Whisker, Glasfasern, Kaolin, Glasperlen, Talk, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw. Durch die Zugabe dieser Art von verstärkenden Füllstoffen zu Polyethylen können die Kosten gesenkt und die Steifigkeit, Festigkeit, Dimensionsstabilität, Hitzebeständigkeit, Magnetismus, Leitfähigkeit und andere Eigenschaften des Produkts verbessert werden.

Anorganische Partikel weisen eine hohe Hitzebeständigkeit und Festigkeit auf und haben einen großen Einfluss auf den Kristallisationsprozess von Polyethylen. Als anorganische Keimbildner können sie die Festigkeit, Steifheit und Hitzebeständigkeit von Polyethylenharz und andere wichtige Indikatoren direkt beeinflussen.

03 Calciumcarbonat modifiziert

Calciumcarbonat als vielseitiger anorganischer Füllstoff hat bei der Verwendung mit Polymermaterialien zwei Nachteile:

Einerseits ist die Oberfläche hydrophil und oleophob und weist eine starke Polarität auf. Im Gegensatz zur geringen Polarität des hydrophoben und oleophilen organischen Körpers ist es schwierig, sich mit der Polymermatrix zu verbinden.

Calciumcarbonat hingegen weist eine schwache Bindungskraft gegenüber Polymeren auf und kann nur eine lösungsvermittelnde Funktion übernehmen. Zu viel Calciumcarbonat führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit von Polymermaterialien und erschwert die Herstellung und Verarbeitung von Produkten.

In der praktischen Anwendung sollte eine gute Grenzflächenbindung zwischen Calciumcarbonat und Polyethylen bestehen, die Partikelgröße des Calciumcarbonats sollte klein und die Dispergierbarkeit gut sein. Daher muss Calciumcarbonat modifiziert werden.

Calciumcarbonat wird mit einem Titanat-Haftvermittler modifiziert. Die Alkylgruppe im Haftvermittler hydrolysiert leicht und verbindet sich während des Modifizierungsprozesses mit -OH auf der Oberfläche von Calciumcarbonat, wodurch die Oberflächeneigenschaften von Calciumcarbonat hydrophob werden können. Die drei Strukturen können sich mit dem Polymer verflechten oder chemisch verbinden, wodurch die Grenzflächenkompatibilität zwischen Calciumcarbonat und Polymer sowie die Rheologie und Dispersionsstabilität von Calciumcarbonat im System verbessert werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften verbessert werden.

Modifikationsprinzip des Titanat-Haftvermittlers

04 Anorganisches Pulver gefülltes modifiziertes Polyethylen

Zuo Yinze et al. verwendeten Titanat-Haftvermittler (KH101) bzw. Silan-Haftvermittler (KH570), um CaCO3 und SiO2 als Füllstoffe zu modifizieren und stellten binäre und ternäre PE-Verbundwerkstoffe mit HDPE als Matrix her. Die Forschung zeigt, dass die Dispersion der modifizierten Nanopartikel in der Matrix verbessert und das Agglomerationsphänomen reduziert wird. Mit steigendem CaCO3- und SiO2-Gehalt nehmen Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit der binären Verbundwerkstoffe zunächst zu und dann ab. Bei einer SiO2-Dotierung von 7 Gew.-% ist die Gesamtleistung des PE/SiO2-Verbundwerkstoffs am besten. Bei einer Dotierungsmenge von 3 Gew.-% CaCO15 ist die Gesamtleistung des PE/CaCO3-Verbundwerkstoffs am besten. Bei PE/CaCO3/SiO2-Verbundwerkstoffen erhöhen sich bei Dotierungsmengen von 2 Gew.-% Calciumcarbonat und 25 Gew.-% SiO7 die Zugfestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit um 17.6 % bzw. 34.5 %, wodurch ein Synergieeffekt gewährleistet und bessere Ergebnisse erzielt werden. Gesamtleistung.

Zhou Lin und andere entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffe mit Nano-Calciumcarbonat, gemischt mit SBS/HDPE. Die Forschung zeigte, dass Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit und Bruchdehnung von Nano-Calciumcarbonat- und SBS/HDPE-Mischungen mit zunehmendem Nano-Calciumcarbonat-Anteil zunahmen. Die Veränderungen des Massenanteils zeigen alle eine parabolische Veränderung mit einer Öffnung nach unten. Da sich Schlageigenschaften, Zugfestigkeit und Bruchdehnung der Mischungen grundsätzlich synchron ändern, kann geschlussfolgert werden, dass Nano-Calciumcarbonat die Mischungen sowohl zäher als auch fester machen kann. Die Gesamtleistung der Mischung ist optimal, wenn der Massenanteil von Nano-Calciumcarbonat 15 % der Gesamtmasse der Mischung erreicht.

Zhang Xiaoqian et al. vermischten unterschiedliche Anteile von CaCO₃-Whiskern mit Holzmehl und HDPE, um CaCO₃/HDPE/Holzmehl-Verbundwerkstoffe herzustellen. Ihre Forschung zeigt, dass bei einer CaCO₃-Dotierung von 3 % die Zugfestigkeit einen Spitzenwert von 3 MPa erreicht. Im Vergleich zum HDPE/Holzpulver-Verbundwerkstoff (3 MPa) ist dies eine Steigerung um 7 %, während die Biege- und Schlagfestigkeit um 28.3 % bzw. 19.7 % zunahmen.