生物相容劑（ESO-g-S-HPG）提高CaCO3/高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料的相容性和力學(xué)性質(zhì)

相容劑在聚合物復(fù)合材料領(lǐng)域至關(guān)重要。它們可提高（1）聚合物與填料或增強(qiáng)劑之間的相容性；（2）填料或增強(qiáng)劑在基質(zhì)中的分散性。典型的相容劑含有兩性基團(tuán)，它可通過物理作用或化學(xué)反應(yīng)與不同極性的兩種材料連接，增強(qiáng)兩種材料的界面粘附性并形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，最終使連續(xù)相兼容。常用的連續(xù)相材料為熱塑性樹脂和熱固性樹脂。熱塑性樹脂環(huán)境友好，加熱可達(dá)熔點(diǎn)，冷卻即恢復(fù)。熱固性樹脂，如高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）是典型的連續(xù)相材料。HDPE聚合物的結(jié)晶度高（60-80%）、熔點(diǎn)高（135℃），可通過支化聚乙烯與共單體聚合獲得。HDPE的長(zhǎng)鏈和短鏈數(shù)量非常少（每1000個(gè)碳原子<2個(gè)甲基）。一般填料組分（相容劑和填料）和樹脂通過熔融混合制備復(fù)合材料。目前，常用的無機(jī)填料有CaCO3、二氧化硅、云母等。由于廉價(jià)、使用方便、白度好、性能好、可提高材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量和韌性，CaCO3是制備聚合物復(fù)合材料時(shí)使用最多的填料。加入CaCO3不僅可提高材料的力學(xué)性能，也可提高熔化熱、結(jié)晶度、成核過程以及硬度。通過控制CaCO3的用量和冷卻過程可獲得結(jié)晶度適合的材料來制備透明的塑料產(chǎn)品，如透明薄膜和電器外殼。

由于上述原因，大多數(shù)業(yè)內(nèi)公司都采用CaCO3作為填料，并添加相容劑以降低HDPE復(fù)合材料的制備總成本。增容劑的選擇和用量是影響復(fù)合材料性能的重要因素，合適的增容劑用量可提高復(fù)合材料的性能。當(dāng)CaCO3含量較低時(shí)，小分子增容劑，如鈦酸酯和鋁酸酯耦合劑是有效的，但當(dāng)CaCO3含量較高時(shí)（40 wt%），這些小分子耦合劑的效果并不明顯。大分子相容劑，如接枝馬來酸酐的聚烯烴樹脂、接枝丙烯酸的聚烯烴樹脂雖然能適度的提高樹脂和填料的相容性，但需加入5-8wt%才有效果，且這些相容劑會(huì)降低材料的熱形變溫度，最終導(dǎo)致不必要的交聯(lián)和復(fù)合材料降解。另外，上述兩種相容劑都是合成的，不利于綠色環(huán)境的發(fā)展。因此，使用綠色和可再生資源做原材料合成相容性好、可顯著提高復(fù)合材料性能的相容劑是當(dāng)前的研究方向。環(huán)氧大豆油（ESO）是大豆油經(jīng)環(huán)氧化反應(yīng)而得到的一種可再生資源。ESO分子鏈中含有4-6個(gè)環(huán)氧基團(tuán)，在適當(dāng)條件下可發(fā)生開環(huán)反應(yīng)。

桂林科技大學(xué)、曙光橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院的陸紹榮教授等用ESO、絲氨醇、縮水甘油作為原料，合成了新型綠色相容劑ESO-g-HPG，并用其提高HDPE與CaCO3的相容性。研究結(jié)果表明，經(jīng)ESO-g-HPG改性的CaCO3可有效強(qiáng)化CaCO3/HDPE的力學(xué)性能。相比于不添加ESO-g-HPG的CaCO3/HDPE復(fù)合材料，添加1wt%（根據(jù)CaCO3的重量計(jì)算）ESO-g-HPG和30wt% CaCO3的復(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度分別提高了33.5%和25.7%。加入40wt%的CaCO3，拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度提高26.4%和800.8%。相比于市售相容劑TA 1618，所得新型相容劑對(duì)提高復(fù)合材料力學(xué)性能的效果更為顯著，這是由于ESO-g-s-HPG提供了更好的界面相容性。SEM測(cè)試表明，ESO-g-s-HPG能有效減小CaCO3和HDPE界面區(qū)域的間隙尺寸。分子動(dòng)力學(xué)模擬說明，通過抑制填料聚集，ESO-g-s-HPG的超支化結(jié)構(gòu)可顯著強(qiáng)化填料和聚合物之間的相互作用。超支化相容劑可形成橋接的NP連接以保持拉伸時(shí)復(fù)合材料的強(qiáng)度。ESO-g-s-HPG還可提高CaCO3/HDPE復(fù)合材料的熱性能。

文獻(xiàn)來源：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.