管彦超
身份证号码：37132619880128****
摘要：汽车产业已经成为我国重要的支柱产业，也是能源消耗大户。汽车零部件的轻量化对于能源的节约具有重大的意义。随着材料领域的发展，汽车材料逐渐从金属材料转变为非金属材料，然而大部分的非金属材料不具有较高力学强度，为了增加汽车的安全性，提高材料的力学强度成为汽车轻量化中最重要的一环。聚乙烯由于其质量较轻，优异的物理化学性质，原料丰富以及易加工等特性，成为汽车用塑料的常用品种。但聚乙烯具有耐热老化性能差、耐磨性能差以及耐冲击性较差等缺点，限制了其在汽车工程应用材料上的适用性。通过对聚乙烯进行改性，制备了具有一系列较好性能的聚乙烯复合物。
关键词：聚乙烯；二氧化硅；滑石粉；汽车工程材料
引言：通过在聚乙烯塑料中同时加入二氧化硅和滑石粉两种填充剂制备了可用于汽车工程的聚乙烯复合材料，并比较了不同含量的二氧化硅和滑石粉的综合作用以及其对聚乙烯复合材料性能的影响。结果表明：拉伸强度和断裂伸长率均随着二氧化硅含量的增加而减小，而弯曲强度随着二氧化硅含量增加而增加。相比于纯聚乙烯，二氧化硅和滑石粉的综合作用可以有效提高其热稳定性。并且随着二氧化硅含量的增加，材料的冲击强度、硬度均先增加后下降，并在50%含量时达到了最大值。与某汽车品牌材料的性能指标相比，制备的聚乙烯复合材料性能指标均具有一定的优异性，并且相比于纯聚乙烯具有较好的抗老化性。制备的聚乙烯复合材料可以应用于汽车工程材料之中。
1实验部分
1.1实验原料
聚乙烯，HD4801EX，美国泰科纳有限公司；二氧化硅，分析纯，阿拉丁生化科技有限公司；滑石粉，1200目，成都市科龙化工试剂厂；硅烷偶联剂，KH500，成都市科龙化工试剂厂；无水乙醇、硬脂酸钠，分析纯，国药制药试剂有限公司。
1.2仪器与设备扫描
电子显微镜(SEM)，S4800，日本日立公司；万能试验机，CMT，美特斯工业系统有限公司；冲击试验机，ZBC1251-B，美特斯工业系统有限公司；高速混合机，SHR-100L，张家港讯力机械有限公司；双螺杆挤出机，KTE75，南京科尔克挤出装备有限公司；注塑成型机，CJ150M3V，广东振德机械有限公司；热重分析仪，setlineTGA，上海KEP科技公司；热变形温度测定仪，XRW-300UA，北京智德创新仪器设备有限公司；摩擦磨损试验机，MM-W1A，济南凯锐试验机制造有限公司。
1.3样品制备
为了改善滑石粉在聚乙烯基体中的分散性，对滑石粉进行改性。滑石粉在100oC下干燥6h，将100g干燥滑石粉加入1L水中分散，将其放入烧瓶，添加2.5g硬脂酸钠和2.0gKH500硅烷偶联剂进行混合，90oC下反应3h并离心干燥，得到改性滑石粉。
1.4性能测试与表征SEM分析
将样品冷冻脆断后，喷金进行测试。力学性能测试：按GB/T1040—1992和GB/T9341—2000进行测试。热变形温度测试：按GB/T1634—2004进行测试。悬臂梁缺口冲击强度测试：按GB/T1843—1980进行测试。热重分析：温度区间25~600oC，N2气氛，升温速率10oC/min。摩擦磨损测试：试样切割为直径3mm的圆形片，将其用双面胶粘贴到直径3mm的铝片上进行测试，试验机转速200r/min，施加载荷分别为10、30、90N，实验时间30min。抗老化测试：按GB/T16422.2—1999进行测试。
2结果与讨论
2.1不同填料含量对聚乙烯复合材料的性能影响
2.1.1对聚乙烯复合材料力学性能的影响
随着滑石粉的含量增加(即二氧化硅含量的降低)，聚乙烯复合材料的拉伸强度和断裂伸长率逐渐增加。这是由于滑石粉作为一种片状结构以及其较大的径厚比，可以有效地阻止聚乙烯裂纹的扩展，使应力集中从而使得拉伸强度增加。而二氧化硅含量较高时一部分颗粒会发生团聚从而影响聚乙烯复合材料的力学性能，因此较高含量的二氧化硅对于聚乙烯的增强效果不明显。
测得纯聚乙烯的拉伸强度和断裂伸长率分别为21.3MPa和354%，均低于添加了滑石粉和二氧化硅的复合材料，说明这两种材料的加入可以有效地提升复合材料的力学性能。在汽车工程中，材料的硬度和冲击强度对于其实际安全性具有重要意义，因此对材料的冲击强度和洛氏硬度进行了测试，纯聚乙烯的冲击强度为22.36kJ/m2，随着二氧化硅含量的增加，复合材料的冲击强度先增加后减少，并在二氧化硅含量50%时达到了最大值。这是由于滑石粉含量较多时，片层间的相对滑移会在体系中产生大量的弱界面从而使得冲击强度下降。而二氧化硅含量较大时，粒子在其中的分散性将会变得困难从而使得其中的应力难以集中，因此冲击强度降低。对于硬度，纯聚乙烯的洛氏硬度为78HR，加入一定量的二氧化硅和滑石粉之后，由于滑石粉和二氧化硅的硬度均高于纯聚乙烯，因此复合材料的硬度均高于纯聚乙烯，并且当二氧化硅含量到达50%时硬度达到了最大值，片状的滑石粉较好的刚度与球状二氧化硅的增韧结果紧密的结合从而使得硬度达到了最大值。
2.1.2对聚乙烯复合材料热稳定性的影响
随着二氧化硅含量的增加，复合材料的初始分解温度和最大质量损失温度均先增大后降低，最大值分别为452oC和539oC(二氧化硅含量50%)。这一结果是由于二氧化硅的粒径较小并具有较高的表面能，当其与合适含量的滑石粉混合时，可以吸附在其表面形成复合结构。这些复合结构可以与聚乙烯的大分子链之间形成较强的界面相互作用从而增加其热稳定性。而当滑石粉含量较多或二氧化硅含量较多时，尽管可以提升材料的稳定性，但是由于二者之间的结合效果较差，因此并未达到良好的热稳定性增强效果。
2.2聚乙烯复合材料在汽车工程上的应用
2.2.1制备样品性能指标与标准值对比
尽管在实验结果中二氧化硅含量为50%的聚乙烯复合材料具有较好的性能，然而并未与汽车工程中的实际应用相结合，因此进行了二氧化硅含量为50%的聚乙烯复合材料与某品牌材料性能标准值的对比，从而评估了其在汽车工程材料上的适用性。本研究所制备的聚乙烯复合材料的性能指标均大于某品牌汽车材料标准值，说明制备的聚乙烯复合材料可以有效地用于汽车工程中。
2.2.2聚乙烯复合材料的摩擦性能
纯聚乙烯具有较高的摩擦系数，说明其具有较差的耐磨性。100%含量的二氧化硅对于复合材料的耐磨性能影响较小，其中主要的影响因素为滑石粉。而随着滑石粉含量的增加，材料的摩擦系数先降低后有略微上升，并在50%处达到了最低值，说明在该含量下的聚乙烯复合材料具有最佳的摩擦性能。这一结果是由于滑石粉含量的增加，滑石粉质软以及层状结构的特点可以使磨面光滑从而降低摩擦系数。而当滑石粉含量进一步增加时，其摩擦系数发生了一定的下降，这是由于过多的滑石粉的加入破坏了聚乙烯材料基体的规整性从而降低了耐磨性能。并且在不同的载荷条件下，50%滑石粉含量的聚乙烯复合材料均表现出了最佳的耐摩擦性能。
2.2.3聚乙烯复合材料的抗老化性
由于汽车工程材料不可避免地会受到油污、紫外线、高温的老化作用，因此有必要对聚乙烯复合材料的抗老化性进行评估，纯聚乙烯在光照下老化迅速，而在聚乙烯复合材料中，由于滑石粉和二氧化硅的复合作用在聚乙烯基体中形成较强的界面作用从而增强其抗老化性。
结束语：50%二氧化硅的聚乙烯复合材料具有最佳的综合性能，并且其性能指标均标准汽车材料，并且其具有较好的抗摩擦性能和抗老化性能，说明其可以用于汽车工程材料。
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