硅钙塑片材制备方法及其拉伸强度分析
王冬杰12，高德2，齐萌1久李越1^王金磊w
(1.太原科技大学，太原030024;.浙江大学宁波理工学院，浙江宁波315100)
摘要：探究常温状态下影响硅钙塑片材拉伸强度的因素，综合考虑拉伸强度、材料特性、材料成本对于硅钙塑材料生产上 的影响，制作出可以满足生产的硅钙塑片材。设计碳酸钙、硅藻土、增塑剂三因素并且含量不同的四水平的正交试验，按照 正交试验的步骤制作相应的硅钙塑片材，将片材按照国家标准GB7n302-1S91进行采样，再将放样好的硅钙塑片材放到 电子万能实验机上进行拉伸强度实验，研究碳酸钙、硅藻土、增塑剂对硅钙塑片材拉伸强度的影响，分别与目标拉伸强度 1014M FP做比较。结果显示，HDPE33。碳酸钙5%硅藻土 5。增塑剂3。偶联剂2%的硅钙塑材料的拉伸强度已经 超过了1014MPg|这种硅钙塑材料在拉伸强度、材料特性、成本方面具有很大的优势，可以用到生产上。
关键词：硅钙塑片材；拉伸强度；瓦楞纸板
中图分类号:TB 484.3 文献标志码：B文章编号：1002-2333(2016)07-0012-04
Preparation Method and Tensile Strength Analysis of Calcium Plastic Sheet
WANG Dongjie12,GAO De2,QI Meng12,LI Yue12,WANG Jinlei1,2
(l.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan030024, China;
2.Ningbo Institute of Technology,Zhejiang University,Ningbo315100, China)
Abstract:To explore influence factors under the condition of normal temperature calcium plastics sheet tensile strength, this paper produces calcium plastics sheet that can meet the production considering tensile strength, material properties, cost of the plastic material for calcium production. We design orthogonal test of three factors and different content of the four levels of calcium carbonate, diatomite and plasticizer. The corresponding calcium plastics sheet is produced according to the orthogonal test process. In accordance with the national standard GB/T13022-1991, tensile strength of the sampled calcium plastics sheet is tested on the electronic universal testing machine. We rearch on the effect of carbonate calcium, diatomite, plasticized on tensile strength of calcium plastic sheet. The tensile strength is compared with the expected 10.14MPa. The results show that HDPE (33%) and calcium carbonate (57%) diatomite (5%) plasticizer (3%) coupling agent (2%) the tensile strength of the calcium plastic material has exceeded the expected 10.14MPa. This calcium plastic material has great advantages of tensile strength, material properties, and can be ud in the production cost. Keywords:calcium plastics sheet; tensile strength; corrugated board
0引言
目前，随着市场对包装材料需求的提升，硅钙塑以其 优异的特点和性能正在迅速发展。对硅钙塑瓦愣纸板材 料，国内外学者做了大量的研究，程文超[1]对纳米碳酸钙母 料制备及其塑料改性做了深人的研究，发现经过表面处理 后的纳米碳酸钙制备成母料后改性塑料，在一定的填充量 下使复合材料的综合性能得到了明显的改善。高德等[2]对 国内外瓦楞纸板性能的研究做了总结，得到结论：瓦愣纸 板的抗压性能取决于原纸特性，而瓦愣纸板的原材料随科 学技术发展也有更广泛的选择。无论是对现有造纸工艺的 改进，还是对再生纤维的研究都有重大意
义。杨宇翔等[3]对国产硅藻土进行了深人
的研究分析，包括硅藻土的表面结构、温
度的影响、TDA-TG、孔容、孔径、孔径分
布。张思灯等[4]将碳酸钙填充到LLDPE薄
膜中进行应用实验，结果表明，LLDPE薄
膜即使在质量分数30%碳酸钙下仍具有
较好的加工性能和力学性能。
未来的包装材料将是多元化的，尤其是现代人们环保意识的不断提高，硅钙塑的包装材料 将会得到巨大的发展。但是硅钙塑材料的组成成分有很 多，怎样配置这些成分达到人们所需求的力学性能，而且 制作的材料更加环保、成本更低，将是一个需要解决的问 题。国内外已经出现硅藻土与各种塑料制作成复合材料 的专利，但并没有针对这些专利材料做具体的物理性能 分析，本文通过实验，研制出了一种新型的硅钙塑材料，并且综合分析其对材料力学、环保、成本的影响。
1实验
1.1实验原料(见表1)
表1实验原料
材料名称缩写规格生产厂家
高密度聚乙烯HDPE5000s大庆石化分公司
碳酸钙CaCO3细度：1250目中国石化中原石油化工有限责任公司
硅藻土SiO2SH-500(2540 目）吉林省海华硅藻土有限公司
硅烷偶联剂YSiX3A-174广州市开云化工有限公司
抗氧剂C42H63O3P168型巴斯夫高桥特性化学品上海有限公司
工程管理制度塑化剂C24H38O4化学纯上海彩仙机电化工有限公司
脱模剂硬脂酸锌C36H70O4Zn化学纯，00型山东高密市友强助剂有限公司12 I 2016 年第 7 期网址: 电邮：
1.2 实验仪器（见表2)
表2实验仪器
仪器名称型号生产厂家
beard什么意思密炼机su-70常州苏研科技公司
热压机R-3202武汉启恩发展有限公司双螺杆挤出机CTE-20科倍隆(南京)机械有限公司
塑料片材机SJ45-PF260北京泽岛机械有限公司电子万能试验机CMT6103深圳市新三思有限公司
电热恒温鼓风干燥箱DHG-9140A型 上海一恒科技有限公司
1.3样品制备
将HDPE、碳酸钙、硅藻土按不同比例混合，并向其加 人少量硅烷偶联剂、抗氧剂、硬脂酸、增塑剂，混合均匀后，将混料放人温度为150益的密炼机中密炼。10 min后，将 混料取出，将其分成三等分，并放到温度为150益的压片 机中用20 MPa的压力压片5 min，将其取出自然冷却。至 此，密炼的片材已做好。再对材料进行开炼、压片，将材料 厚度控制在0.2 mm左右，开炼温度150益。压片时6片为一 组，压片温度为150益，压强为50~100 MPa，压片时间为 300 s，取出自然冷却，材料完成。
1.4实验分析
表3样品拉伸强度本实验主要针对
编号拉伸强度/M P a不同材料成分的硅钙
17.31塑片材进行拉伸强度
29.23测试，将密炼好的片材
313.11采用国家标准GB/T
47.4713022-1991进行打样，
513.46并且每种材料分别有
69.1310张片材，将其放到电
77.60子万能试验机上，设定
812.5620 mm/min的速度测定
99.13片材的拉伸强度，对每
1012.43组片材拉伸强度计算平均拉伸强度10.14平均值。
1.5目标拉伸强度10.14 MPa的说明
选择市面上拉伸强度较好的钙塑材料，按1.4节中的 方式进行拉伸强度测量，并求出平均值，见表3，下面制作 的材料将与其拉伸强度进行对比。
2结果与讨论
2.1实验设计
为了全方位考察碳酸钙、硅藻土和增塑剂对硅钙塑 材料拉伸强度的影响，根据要求设计三因素四水平的正 交试验，对照表见表4，试验结果见表5。
实验中所有片材全部添加了硅烷偶联剂，主要是对
表4因素水平对照
水平因素A(碳酸钙）因素B(硅藻土）因素C(增塑剂）150%00
260%3% 1.5%
365%5% 2.0%
470%8% 4.5%
表5头验结果
序列号
因素A
(碳酸钙）
因素B
(桂藻土）
因素C
(增塑剂）
拉伸强度/
MPa 111114.78
212212.25
313311.81
41449.25
521211.52
622110.01
dry是什么意思72349.23
824311.46
ipp931312.98
1032410.76
1133111.12
1234211.06
托福 报名
134148.05
144238.96
154328.56
164417.79
K,11.7711.8310.93
k210.5610.5010.85
K311.489.9311.05
K48.349.899.32
R 3.43 1.94 1.73
优水平A,B,C3
碳酸钙表面进行处理，提高填料和基材的相容性，因为硅
烷偶联剂可在粉体表面形成连续聚硅烷壳层，使其表面
硅烷化，含有机功能基团大的硅烷偶联剂在碳酸钙表面
更容易形成笼络多环低分子量结构，而含有机功能基团
小的硅烷偶联剂在碳酸钙表面更易缩合成开式阶梯状高
分子聚硅烷链。
根据正交试验表可以发现，硅钙塑拉伸强度的优水
平为碳酸钙(20%)、硅藻土 (0)、增塑剂（3%)，根据极差R
的大小，可以判断碳酸钙含量是影响材料拉伸强度的主
要因素。
这个优水平的拉伸强度为11.81 MPa，已经远远超出
了目标10.14 MPa的水平，所以可以进行更深层次的研
究，并依靠以下几个方面找到理想的硅钙塑材料。
1) 拉伸强度。目前材料的拉伸强度为11.81 MPa，远 远大于目标10.14 MPa，对于生产上还可以有很大的下降
空间，所以可以改变一些配料成分制作出理想的材料。
2) 材料特性。制作的新材料要求具有环保、耐热、防 潮、防湿、易回收等特性。
3) 成本。目前工业级碳酸钙的价格为600元/t，HDPE 的价格为8000元/t，那么大幅度地减少HDPE的用量、增
加碳酸钙的用量，添加一些低成本的配料，将会大大减少
材料成本。
对于以上三个方面，可以在优水平材料中添加适当
的硅藻土。硅藻土是一种硅质岩石，是一种生物成因的硅
网址: 电邮： 2016 年第 7 期
13
硅藻土含量/%
taro存钱英语图3硅藻土含量对拉伸强度的影响
增塑剂含量/%
图2增塑剂对拉伸强度的影响
50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
碳酸钙含量/%
timing是什么意思图1碳酸钙含量对拉伸强度影响
质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成，其化学成分 以Si 〇2为主，可用Si 〇2'nH 2〇表示，矿物成分为蛋白石及其 变种，所以硅藻土是一种非常环保的优质原料。应用硅藻 土还有很多优点：能明显增强产品的刚性和强度，并可提 高产品的耐热、耐磨、保温、抗老化等化学作用的性能。有 优良的延伸性，有较高的冲击强度、拉伸强度、撕裂强度、 质轻软、耐磨性好，pH 值中性，无毒，硅藻土矿粉具有独特 的孔隙结构，孔隙度大，吸附性能强。而且硅藻土的价格 在300元/t 左右，所以添加到硅塑材料中可以明显降低其 成本。
下面将采用单因素变量法分别研究碳酸钙、增塑剂、 硅藻土对拉伸强度的影响。2.2碳酸钙对片材拉伸强度的影响
通过正交试验了解到，碳酸钙含量是影响材料拉伸 强度的主要因素，所以下面只针对碳酸钙研究其对材料 拉伸强度的影响。
由图1可知，随着碳酸钙的增加(HDPE 的减少），材料 的拉伸强度不断减小。
碳酸钙对于材料拉伸强度影响的原因：一方面，在片 材制作的过程中，HDPE 表面容易被无机物包覆，
而无机 物的表面能量高，很难和表面能量过低的HDPE 形成有效 结合，随着碳酸钙的增加，HDPE 的浓度会随之减小，使得
HDPE 之间的吸引力减小，从而导致外界对材料拉力的减
小，致使材料的拉伸强度相应减小。另一方面，碳酸钙当 做母体填充在聚乙烯中，碳酸钙容易出现颗粒团聚问题， 但把它们分解开来非常困难，随着碳酸钙比重的增加，这 种现象更加明显，这样会导致材料内部应力变大，使得材 料的拉伸强度减小。
当HDPE 和碳酸钙的含量分别达到35%、65%时，材料 的拉伸强度为11.81 MPa ，已经超过了所需10.14 MPa 的 拉伸强度，可以采用这个配方作为更深人分析的基础。2.3增塑剂对片材拉伸强度的影响
在2.2节中通过分析，了解到可以采用HDPE 和碳酸 钙的含量分别是35%、65%作为研究的基础，那么针对这 个配方可以对其添加不同含量的增塑剂，研究其对材料 拉伸强度的影响。
宽恕的意思
由图2可知，随着增塑剂含量的增加，钙塑片材的拉
伸强度随之增大，直到增塑剂的含量为3%，之后拉伸强 度随着增塑剂的增加而减小。
造成这种现象的原因：只有HDPE 和碳酸钙的材料由 于存在固有的刚性或者脆性，所以加人少量增塑剂以后 会使聚合物软化，变得具有挠曲性、柔性，材料内部的应 力会减小，这样会使得材料的拉伸强度增大。而且这种材
料手感柔和、光泽、表面顺滑。但是当增塑剂含量超过3% 时，增塑剂会隔离聚合物的大分子间的距离，削弱聚合物 分子间的作用力（吸引力）；非极性的增塑剂加人到非极 性的聚合物中，会隔断聚合物分子间的极性部分，使之不 发生极性连接，破坏了聚合物分子间的偶极-偶极相互作 用；增塑剂是用偶极力与树脂进行结合，而不是用化学力 (共价键)结合。如此材料的拉伸强度会随着增塑剂的增 加而减小。
2.4硅藻土对拉伸强度的影响
在2.3节中已经讨论出增塑剂添加到3%时，拉伸强度 达到最大，那么本实验的基础配方就是HDPE (35%)、碳 酸钙(60% )、增塑剂（3% )，对其添加硅藻土，探究材料拉 伸强度的变化。
从图3可知，拉伸强度随着硅藻土含量的增大而减小， 并且硅藻土的含量达到5%时，拉伸强度会迅速减小。
主要是因为：一方面碳酸钙的密度为2.60~2.75 g /cm 3, 而桂藻土是一种多孔性材料，它的密度为1.9~
2.3 g /cm 3, 硅藻土的密度只为碳酸钙密度的70%，那么在两者质量 相同的情况下，硅藻土的体积会远远大于碳酸钙的体积，
M K /
嵩
着
^
^
^
^ ?
13.12.12.12.C
f s l
14 I
2016 年第 7 期
网址
: 电邮：
从而包围在HDPE 周围的硅藻土也会远远多于碳酸钙，致 使HDPE 之间的吸引力大大减小，最终导致含有硅藻土的 材料拉伸强度减小，同时材料里面会出现小孔，这些小孔 会聚集更多的应力，导致这
种片材内部应力集中，容易被 拉断。另一方面，硅藻土具有很强的吸附力和很大的吸附 容量，因为硅藻壳体具有大量的、有序排列的微孔，从而 使硅藻土具有很大的比表面积，其比表面积为3.1耀60 m 2/g ， 数量2耀2.5亿个/g ，形体体积0.6耀0.8 cm /g ，形体内含一千 多个纳米微孔，孔径7耀125 nm ，能吸收自身质量3耀4倍的 塑料，所以使得材料拉伸强度急速降低。2.5综合分析
在生产上要综合考虑各种因素对拉伸强度的影响， 最终确定硅钙塑片材原料的成分，那么下面从各个方面 对材料进行分析。图4是之前试验中每一阶段关于拉伸强 度选择的最佳方案，做出对比。
15
12.86目标拉伸强度
编号
sydney图4
综合分析图
A .只有HDPE 、碳酸钙
B .添加增塑剂
C .添加硅藻
土、增塑剂
以上3组材料拉伸强度全部大于目标10.14 MPa ，但C 材料添加了天然的硅藻土，所以C 材料会有更多的优良特
性。硅藻土具有pH 值中性、无毒、悬浮性能好，吸附性能强、 较低的浓度、较大的比表面积、相对的不可压缩性及化学 稳定性等特性，所以它可以提高产品的耐热、耐磨、保温、 易回收等特点，是塑料制品的理想添加剂。值得一提的是， HDPE 是分子量100万以上的聚乙烯，由于HDPE 在自然环 境中不易降解，降解中会产生有毒有害物质，进人垃圾焚 烧中易产生二恶英等有害物质。硅藻土可以吸附HDPE 产 生的有害物质，所以可以提高材料的环保性能。
编号
图5各种材料成本
A .只有HDPE 、碳酸钙
B .添加增塑剂
C .添加硅藻土、增塑剂
3
结语
通过大量的实验，得出结论：碳酸钙（57%)、HDPE
(33%)、硅藻土 (5%)、增塑剂(3%)、偶联剂(2%)的硅钙塑 材料可以用到生产上，材料中添加了大量的碳酸钙和硅藻 土，使得材料在满足力学性能的基础上，还可以使得材料 具有轻质、隔声、隔热、防潮等优点，而且利于二次回收，增 强了保护环境的作用。随着技术的不断革新，这种硅钙塑 材料会越来越受到市场的青睐，所以可以大力倡导硅钙塑 材料方面的科研工作，对于社会具有深远的影响。
[参考文献]
[1] 程文起.纳米碳酸钙母料制备及其对塑料改性的研究[D ].合
月巴：合肥工业大学，2007:5.
[2] 高德，刘壮，董静.瓦愣纸板包装材料的性能及其发展前景[J ].包
装工程，2005,26(1):1-4.
[3] 杨宇翔，陈荣三，等.国产硅藻土结构的研究[J ].化学学报，
1996,54(1 ):57-64.
[4] 张思灯，徐建建，姚自力，等.高填充碳酸钙母料在LLDPE 薄膜中
的应用[J ].现代塑料加工应用，2009,2(( 1)50-53.
[5] 冯军，高德.单瓦钙塑板性能的实验研究[J ].包装工程，2013,34
(11)43-45.[6]
孙颜，颜荣森.钙塑-纸复合瓦愣板及其制造方法:CN 1215783A [P ].1999-05-05.
[7] SIN GHSPJ.Measurement and Analysis of Truck Transport
Vibration Levels and Damage to Packaged Tangerines during Transit [J j.Packaging Technology and Scince ,2005,18 ( 4): 179-188.
[8 ] SINGHSPCV.Packaging Performance Comparison for Distribution
and Export of Papaya Fruit [jj.Packaging Technology and Scince ,2005,18(2) :125-131.
[9] KAMHANGWO C V,.Comparison of Reusable and Single-u
Plastic and Paper Shipping Containers for Distribution of Fresh Pineapples [J].Packaging Technology and Scince ,2008,21 (2): 73-83.[10]
王俊艳，冯军.成形温度和速度对单瓦钙塑板性能影响的实验 研究[J ].包装工程，2014,35(3)6-9.
[11] 王冬梅.瓦愣复合材料静态压缩吸能性能研究[J ].包装工程，
2007,28(12)71-73.
[12] SPENCER M W , CUI L L , YOUNGJAE Y , et al . Morphology
and properties of nanocomposites bad on HDPE /HDPE -g - MA blends [j ]. Polymer , 2010,51 (5):1056-1070.
[13] LU T J , CHEN C,ZHU G.Compressive behaviour of corrugated
board panels [J]Journal of Composite Materials ,2001, 35(23): 2089-212.
[14] GURU M VEBEDIKB D MURATHAN A.Removal of trivalent
chromium from water using low -cost natural diatomite [j ]. Journal of Hazardous Materials ，2008，160(2-3): 318-323.
[15] XIONG Wenhui ,PENG Jian.Development and characterization
of ferri -hydrite -Modified diatomite as a phosphorus adsorbent [J].Water Re arch ，2008,42( 19)4869 -4877.
(编辑昊天）
作者简介：王冬杰（1987—)，男，硕士研究生，研究方向为现代机械设
计理论及其关键技术；
高德（1963—)，男，教授，研究方向为包装食品机械设计及 理论、包装动力学。
通信作者：高德，gaode 。收稿日期：2016-02-20
网址: 电邮： 2016 年第 7 期 | 1
5
