聚乙烯水滑石復合薄膜的制備及性能研究

0pe棚膜與膜的制備作為農業生產的主要生產手段之一，農業膜在發展設施農業、提高資源利用率、實現優質高效生產方面發揮著越來越重要的作用。農膜主要包括棚膜和地膜，國內棚膜以PE棚膜為主LDH由于具有獨特的層狀結構，表現出優異的緩釋本研究選用國內渤洋化工科技有限公司的2種鎂鋁LDH產品和日本協和公司LDH為參照，采用擠出吹塑工藝分別制備PE/LDH復合薄膜，全面比較不同LDH對薄膜的性能影響，并且重點研究了薄膜的保溫性、透光性、熱穩定性和力學性能等綜合性能，旨在開發出高性能、低成本的國產PE棚膜產品，為制備高性價比的功能性PE棚膜產品提供實驗基礎。1實驗部分1.1大慶石化子公司PE樹脂，昆侖DFDA7042，中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司；LDH-A、LDH-B，泰安渤洋化工科技有限公司；LDH-C，日本協和株式會社。1.2實驗儀器與儀器同向平行雙螺桿擠出機，KTE-20，南京科爾克擠出裝備有限公司；單螺桿擠出吹塑機，SXT1，哈爾濱哈普電氣技術有限責任公司；傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR),Nicolet380，美國Thermo公司；掃描電子顯微鏡（SEM),SU8100，日立高新技術公司；X射線粉末衍射儀（XRD),SmartlabSE，日本Rigaku公司；透光率/霧度積分球測定儀，WGT-2S，上海儀電電子股份有限公司；接觸角測量儀，JC2000D1，上海中晨數字技術設備有限公司；自動水蒸氣透過率測定儀，PERMEW3-031，濟南蘭光機電科技有限公司；電子萬能試驗機，UTM2502，重慶三思科技股份有限公司；熱失重分析儀（TG),DTG-60AH，日本島津公司；差示掃描量熱儀（DSC),DSC214，德國NETZSCH公司。1.3pe/ldh復合母粒的制備PE/LDH復合粒料的制備：將干燥好的3種LDH分別和PE按照一定比例稱量并混合均勻，每種型號LDH所占總體的質量分數分別為1%、2%、4%、8%，采用雙螺桿擠出機熔融共混造粒，擠出機螺桿直徑為21.7mm，長徑比為40∶1，加工參數為：主機轉速為300r/min，自動喂料轉速為15r/min；溫度設定為：一區～六區溫度分別為160、170、180、180、180、185℃，機頭溫度為180℃；切粒機轉速為15r/min，復合母粒置于烘箱60℃干燥10h，備用；PE/LDH復合薄膜的制備：將干燥好的PE/LDH復合粒料用單螺桿擠出吹塑機直接進行擠出吹膜，螺桿直徑為20mm、長徑比為25∶1、模具模口直徑為40mm、模口間隙為0.6～1.0mm；復合薄膜厚度為0.03～0.05mm,3種復合薄膜分別命名為PE/LDH-A、PE/LDH-B和PE/LDH-C。1.4薄膜拉伸性能測試SEM分析：復合薄膜在液氮中脆斷后將斷裂面進行噴金處理，加速電壓為1kV;XRD測試：CuKα輻射，測試電壓為40kV，測試電流為40mA，波長為0.154056nm，掃描步幅為0.01，掃描速率為5°/min，測試LDH粉末和復合薄膜結晶形態，掃描范圍分別為10°～70°、5°～45°；透光率和霧度測試：每個薄膜樣品取5個不同位置，平行測試5次取其平均值；接觸角測試：采用靜滴法測試薄膜表面，每個薄膜樣品取5個不同位置，平行測試取其平均值；拉伸性能按GB/T1040.3—2006測試，拉伸速率為500mm/min，每組測試5個樣條，取其平均值；水蒸氣透過率按GB1037—88測試，切割成圓形樣品膜（直徑為0.074m、測試面積為3.3×10FTIR分析：采用透射模式，掃描次數為64次，波數范圍為4000～400cmTG分析：取5～10mg樣品，氮氣保護，流量為50mL/min，升溫速率為20℃/min，溫度范圍為25～800℃；DSC分析：取5～10mg樣品，使用扎孔鋁坩堝，先以20℃/min的速率升溫至300℃，穩定保持3min，以消除熱歷史，再以10℃/min的速率降至室溫，然后以10℃/min的速率升溫至300℃，氮氣保護，流量為50mL/min。2結果與討論2.1ldh的sem分析圖1為3種LDH的FTIR和XRD曲線，顯示3種LDH無明顯差別，3430cm圖2為LDH的SEM照片，國產LDH-A和LDH-B的粒徑比LDH-C的略小，展現了更均勻的六邊形層狀結構。2.2pe體的ldh顆粒與ldh的復合圖3為PE薄膜和PE/LDH復合薄膜脆斷面的SEM照片。從圖3(a）和（f）可以看出，純PE薄膜的斷裂面十分光滑；加入LDH后，LDH顆粒均勻地分散在PE基體中，復合薄膜的斷面隨著LDH含量的增加變得更加粗糙，且LDH未出現明顯的團聚現象，說明LDH與PE基體的相容性較好，其中存在的少量氣泡可能源于LDH烘干不完全所致。由于3種LDH制備的復合薄膜整體分散情況比較一致，因此本文只給出了LDH-B所制備的復合薄膜的SEM照片。2.3pe晶體結構優化圖4為純PE與PE/LDH復合薄膜的XRD曲線。可以看出，圖中2θ=21.7°為PE的特征衍射峰，加入8%的LDH后，復合薄膜中PE的衍射峰強度明顯提高，說明LDH的加入未改變PE的晶體結構，并且可以提高復合薄膜的結晶性，表明LDH起到較好的異相成核作用。層狀LDH在PE基體中經過擠出吹塑常見的復合形貌分為簡單混合型、插層型和剝離型2.4pe薄膜透光率和霧度圖5為純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜的透光率和霧度。可以看出，純PE薄膜的透光率為90.4，霧度為9.54，透光率比較高。由于PE與LDH的折光系數相近（PE為1.512.5薄膜的接觸角圖6為純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜的接觸角。可以看出，純PE薄膜的接觸角為73.5°，加入LDH的PE薄膜接觸角有了顯著提升，12份樣品中11份樣品薄膜的接觸角均在90°以上，且1/3的接觸角超過了100°，屬于疏水材料的范疇。其中LDH-C-2%和LDH-C-4%的接觸角最大，分別為106.3°和105.2°，分別提高了44.6%和43.1%，疏水效果最好。其主要原因可能是LDH粒子在薄膜表面形成了一層微凸起，形成了荷葉效應，因而疏水性提高。C的粒徑相對較大，形成微凸起會越明顯，因而疏水效果最好。以上結果表明，3種LDH加入到PE薄膜里面，均對PE薄膜疏水性提升改進明顯，疏水效果提升順序為C>B>A。2.6pe膜的拉伸性能圖7是純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜的縱向、橫向拉伸強度和斷裂伸長率曲線。純PE薄膜縱向拉伸強度為32.5MPa，加入1%的LDH增加最多，最高到40.4MPa，提高了24.1%，表現出良好的拉伸強度，隨著添加比例的增加，拉伸強度逐漸下降，但均高于純PE膜，這與LDH在聚合物基體中均勻分散和較強的界面黏附性有關；橫向拉伸強度是下降的趨勢，與斷裂伸長率保持一致的變化趨勢。3種不同的復合薄膜相比較，在橫縱向斷裂伸長率和橫向拉伸強度比較中，LDH-C處于劣勢，均不如LDH-A和LDH-B，說明日本協和LDH在提升PE薄膜的拉伸強度的能力不如國產LDH，即使在縱向拉伸強度略高于LDH-A和LDH-B，但是與LDH-B十分接近，沒有明顯優勢。縱向和橫向斷裂伸長率的變化趨勢相似，整體是下降的趨勢，加入低含量LDH時下降幅度較大，隨著添加含量的增加，縱向斷裂伸長率數值有所增加，中間比例最高，這與LDH在PE基體中良好的分散和界面黏附性有關，最高比例數值下降與無機填料含量增加發生少量團聚有關，3種不同LDH對復合薄膜的影響相近。2.7改性薄膜的國內保濕性能圖8研究了LDH的加入對薄膜水蒸氣阻隔性能的影響，可以看出，與純PE薄膜相比，水蒸氣透過率明顯下降，說明在PE基體中加入LDH填料會提高復合薄膜的水蒸氣阻隔性能，有利于保濕。這是由于片層狀LDH在PE基體中良好的分散造成的，導致水分子通過復合薄膜時的路徑受到阻礙，從而提高水蒸氣阻隔性能。3種類型的復合薄膜相比較，PE/LDH-C系列整體所降低的幅度要大于LDH-A和LDH-B2種，最大降低了61.3%，說明PE/LDH-C系列的復合薄膜的保濕性最好，這與LDH-C的片層尺寸較大有關，因此日本協和LDH的水蒸氣阻隔性要稍好于國產LDH。2.8地表向外輻射的特性圖9為純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜的FTIR譜圖。可以看出，純PE主要出峰位置和分別對應的官能團吸收分別為：在2960～2830cm在夜間，從地表向外輻射的光主要為紅外光，而且，富含有輻射波能量的波長范圍，主要分布于7～14μm之間。而在溫室里的散熱方式，則主要是以長波（2.5～25μm）紅外向外輻射能量，尤其是以峰值區域在7～14μm范圍之間的輻射能量最多，即在波數為1428.6～714.3cm薄膜的保溫性從宏觀來看主要反映在熱節省率上2.9薄膜的dsc分析圖11為純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜的TG曲線，相關數據列于表2。LDH的加入顯著提高了薄膜的熱穩定性，且隨著LDH含量的增加而增加。純PE失重10%時所對應的溫度（T圖12為純PE薄膜和PE/LDH復合薄膜DSC曲線。可以看出，純PE薄膜的熔融溫度為122.6℃，隨著LDH含量的增加，熔點呈現先增加又回落的趨勢，當LDH含量為2%時，熔點增加最多。同時可以看出，不同型號的LDH以相同比例加入到PE薄膜中，熔融溫度略有增加，其中添加了LDH-B的復合薄膜熔點提高的最多，提高了4℃。一方面是因為LDH在相對含量較低的情況下，分散性最好，均勻分散的LDH異相成核作用導致PE的結晶性更趨于完善，結晶度增加；另一方面是LDH的片層結構阻礙了PE分子鏈的熱運動，導致晶體融化移向高溫。3拉伸性能測試(1)3種不同LDH的加入，會對薄膜的各方面性能產生不同的影響。保溫性測試表明，國產LDH保溫性優于日本協和LDH。LDH含量為8%時復合薄膜較純PE薄膜在1428.6～714.3cm(2）加入國產LDH的復合薄膜的整體性能更為優異，趨