在家居或工厂建造中铺设保温材料可以减少热量向周围环境流失，是一种高效简单的节能措施[1-2]。常用于制备保温隔音材料的高分子聚合物，如聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等[3-4]。高密度聚乙烯(HDPE)具有易加工和可回收的优点被广泛研究，然而未经改性HDPE材料的阻尼性能差、隔音性能和保温性能不佳，限制其应用[5-6]。近些年，随着纳米技术的发展，多种无机纳米填料用于聚合物的改性研究[7]。已有研究表明，具有中空结构的无机填料与聚合物结合制备具有隔音和保温性能的复合材料[8-9]。Shi等[10]利用溶胶-凝胶法制备中空二氧化硅纳米管改性的环氧树脂复合材料，结果表明：当填料含量为3%，复合材料的隔音性能提升26.1%。Atagür等[11]将5%~30%的多孔珍珠岩掺入HDPE，复合材料的热稳定性提高，结果表明：填料含量为30%时，总热传导系数下降7.3%。通过液压冷热压机制备HDPE保温复合材料，其流程简单具有工业化应用前景，但是制备复合材料使用的多孔珍珠岩含量较多，粒径分布不均，且含有较多的无机杂质。相比珍珠岩，中空二氧化硅纳米颗粒成分单一、粒径分布均匀可控、耐高温且轻质，并且可以在其表面修饰基团或者聚合物提高与基体的相容性，是珍珠岩良好的替代品[12]。本实验通过液压冷热压机制备HDPE/SiO2复合材料，探究不同掺杂量的SiO2对HDPE复合材料的热稳定性、力学性能、阻尼性能、隔音性能和保温性能的影响。1实验部分1.1主要原料高密度聚乙烯(HDPE)，AD60-005，密度为0.903 g/cm3，埃克森美孚化工；中空二氧化硅颗粒(SiO2)，密度为1.2~1.5 g/cm3，阿拉丁试剂（上海）有限公司。1.2仪器与设备热重分析仪(TG)，TG209F1，德国耐驰公司；电子万能试验机，Model5560，美特斯工业系统（中国）有限公司；动态热机械分析仪(DMA)，Q800，美国TA公司；悬臂梁冲击试验机，XJUD-5.5，承德市金建检测仪器有限公司；液压冷热压机，HD-50T/400，青岛华博机械科技有限公司；真空捏合机，WH-1-10，如皋久宝真空捏合机械制造有限公司；四通道阻抗管声学分析仪，BSWA，北京声望声电技术有限公司；智能导热系数测定仪，TSWL-DR3030，天津赛威朗仪器设备有限公司。1.3样品制备表1为HDPE/SiO2复合材料配方。将SiO2于60 ℃真空干燥箱内干燥6 h。按表1配方将物料在150 ℃、2 000 r/min条件下，真空捏合机中捏合5 min。冷却后将液压冷热压机加热至180 ℃，将捏合的物料放入热压金属模板腔中，在4 MPa压强下压合2 min。热压完成后，将样品于室温和15 MPa压力下冷压5 min，制得HDPE/SiO2复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.T001表1HDPE/SiO2复合材料配方Tab.1Formula of HDPE/SiO2 composites样品HDPE/gSiO2/gSiO2/%HDPE10000HDPE/SiO2（4%）9644HDPE/SiO2（8%）9288HDPE/SiO2（10%）901010HDPE/SiO2（15%）8515151.4性能测试与表征TG分析：温度范围200~600 ℃，N2气氛，加热速度10 ℃/min。DMA测试：温度范围25~130 ℃，加热速度5 ℃/min，频率1 Hz，样品尺寸30 mm×10 mm×5 mm。密度和面密度测试：面密度(ρ0)的计算公式为：ρ0(面密度)=Mab （1）式（1）中：M为材料的质量，g；a为材料的长度，cm；b为材料宽度，cm。力学性能测试：对每组样品施加5 kN负荷，拉伸速率为5 mm/min，测试材料的拉伸强度和弹性模量。采用三点弯曲测试法，测试样品的弯曲模量和弯曲强度，十字头速度为1 mm/min。隔音性能测试：按GB/Z 27764—2011进行测试，室温、湿度70%、压强101.3 kPa条件下，测试HDPE/SiO2复合材料在40~6 000 Hz范围内隔声性能。30 mm的小管用于测试材料对高频(1 600~6 000 Hz)的阻隔性，100 mm的大管用于测试材料对低频(40~1 800 Hz)的阻隔性。保温性能测试：按GB/T 10294—2008进行测试。样品直径为13 mm，厚度为2 mm。导热系数的计算公式为：导热系数=α×cp×ρ （2）式（2）中：α为样品的热扩散系数，cm2/s；cp为样品的比热，J/(kg·K)；ρ为样品的密度，g/cm3。2结果与讨论2.1TG分析图1为HDPE和HDPE/SiO2复合材料的TG曲线。从图1可以看出，HDPE和HDPE/SiO2复合材料的TG曲线相似，均为一步降解。HDPE的降解率为50%时，热分解温度为452.3 ℃。随着SiO2含量的增加，热分解温度逐渐升高，降解率为10%和50%时，HDPE/SiO2(15%)复合材料的热分解温度分别为420.4 ℃和465.2 ℃。由于SiO2内部具有较多的介孔结构，通过阻碍效应延缓HDPE的热降解。550 ℃处，SiO2含量为4%、8%、10%和15%的HDPE/SiO2复合材料的质量保留率分别为4.5%、8.9%、11.6%和15.6%。随着SiO2含量增加，HDPE/SiO2质量保留率随之增加。HDPE中掺杂适量的SiO2提高材料的热分解温度，复合材料的热稳定性增强。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F001图1HDPE和HDPE/SiO2复合材料的TG曲线Fig.1TG curves of HDPE and HDPE/SiO2 composites2.2密度和面密度图2为HDPE和HDPE/SiO2的复合材料的密度和面密度。从图2可以看出，随着SiO2含量的增加，材料密度和面密度逐渐增大。未掺杂SiO2时，HDPE材料的密度和面密度分别为0.86×103 kg/m3和4.2 kg/m2。当SiO2含量为15%，HDPE/SiO2(15%)复合材料的密度和面密度分别为1.2×103 kg/m3和5.6 kg/m2，与HDPE相比提高39.5%和33.3%，由于SiO2的密度高于HDPE的密度，因此HDPE/SiO2的密度和面密度随着SiO2含量增加而增加。随着SiO2含量的增加，HDPE/SiO2的密度略有增加，但相比水泥、金属等阻尼材料，HDPE/SiO2可用于制备建筑隔音保温层。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F002图2HDPE和HDPE/SiO2复合材料的密度和面密度Fig.2Density and areal density of HDPE and HDPE/SiO2 composites2.3力学性能图3为HDPE和HDPE/SiO2复合材料的力学性能。图3HDPE和HDPE/SiO2复合材料力学性能Fig.3Mechanical properties of HDPE and HDPE/SiO2 composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F3a1（a）拉伸强度和弹性模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F3a2（b）弯曲强度和弯曲模量从图3a可以看出，随着SiO2的含量增加(10%)，复合材料的拉伸强度和弹性模量先增加后减少。HDPE/SiO2(10%)复合材料的拉伸强度和弹性模量达到最大，分别为28.6 MPa和869 MPa，相比HDPE分别提高33.0%和27.8%。当SiO2含量较少，能够均匀分散在基体中，与HDPE之间具有较好的相互作用，通过界面间应力扩散提升HDPE/SiO2复合材料的拉伸强度，并且HDPE分子链的迁移受限，拉伸模量提升。当SiO2含量超过10%，HDPE/SiO2复合材料的拉伸强度和拉伸模量逐渐下降。因为SiO2含量较多易团聚，使HDPE基体和SiO2颗粒间相互作用差，出现相分离，应力无法有效转移，导致拉伸强度和拉伸模量下降。从图3b可以看出，HDPE/SiO2复合材料的弯曲强度和弯曲模量同样随着SiO2的含量增加先增大后减少。HDPE/SiO2(10%)复合材料的弯曲强度(36.6 MPa)是HDPE的1.5倍，弯曲模量(1 020 MPa)是HDPE的1.4倍。由于SiO2含量过高出现团聚，导致应力集中，使复合材料弯曲强度降低。2.4DMA测试图4为HDPE和HDPE/SiO2复合材料的DMA结果。从图4a可以看出，当SiO2含量低于10%，掺杂SiO2能够增加材料的韧性，相比HDPE，HDPE/SiO2复合材料的储能模量明显增大。从图4b可以看出，HDPE的弛豫峰位于49.5 ℃，该弛豫峰的出现是PE结晶区分子运动的复杂多重弛豫过程。当SiO2含量小于10%，随着SiO2含量增加，HDPE/SiO2复合材料的弛豫峰温度逐渐增大。当SiO2含量为4%、8%和10%，HDPE/SiO2复合材料的弛豫峰温度分别为50.6、51.0、53.8 ℃。当SiO2含量低于10%，在相同的温度下，随着SiO2含量的增加，HDPE/SiO2复合材料的损耗模量逐渐增加。SiO2含量为4%、8%和10%时，HDPE/SiO2复合材料的最大损耗模量分别为178、198和224 MPa，相比HDPE(171 MPa)，分别增大4.1%、15.8%和40.0%。因为在HDPE基体中，SiO2与聚合物分子链缠结吸附，材料的内摩擦增大导致损耗模量升高。当SiO2含量超过10%，由于SiO2的聚集，导致HDPE基体出现相分离，材料的韧性降低且聚合物的分子链迁移率也增加，储能模量和损耗模量下降。在HDPE基体中掺杂适量的SiO2可以提高材料的储能模量和损耗模量，损耗模量提高幅度大于储能模量，材料的阻尼性能提升。图4HDPE和HDPE/SiO2复合材料的DMA结果Fig.4DAM results of HDPE and HDPE/SiO2 composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F4a1（a）储能模量10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F4a2（b）损耗模量2.5隔音性能图5为HDPE和HDPE/SiO2复合材料的隔音性能。从图5a可以看出，HDPE材料的共振频率为1 056 Hz，随着SiO2含量(10%)的增加，HDPE复合材料的共振频率逐渐增加，SiO2含量为4%、8%、10%时，共振频率分别为1 325、1 768和2 058 Hz。材料的弹性模量和面密度对隔音性能具有重要的影响，低频段主要受弹性模量影响，中高频段主要受面密度影响，SiO2的掺杂提高材料的弹性模量和面密度，使共振频率逐渐增大。从图5b可以看出，HDPE的隔声指数为27.5 dB，HDPE/SiO2复合材料的隔声指数随着SiO2含量(10%)增加而增加，当SiO2的掺杂为10%，复合材料的隔声指数为37 dB，与HDPE相比提高34.5%。由于SiO2与HDPE和空气之间存在界面，对声波产生散射和折射作用，增加声波在材料中的传播路径，使声能透过材料时损耗增加。此外，SiO2内部的空气处于狭窄的空间，难以扩散，阻碍声波的传输，增加材料的隔音性能。SiO2含量大于10%时，由于填料的团聚导致HDPE基体出现孔隙，增加声波的透过性，隔音性能降低。图5HDPE和HDPE/SiO2复合材料的隔音性能Fig.5Sound insulation properties of HDPE and HDPE/SiO2 composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F5a1（a）频谱曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F5a2（b）隔声指数2.6保温性能图6为HDPE和HDPE/SiO2复合材料的导热系数。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.008.F006图6HDPE和HDPE/SiO2复合材料的导热系数Fig.6Thermal conductivity of HDPE and HDPE/SiO2 composites从图6可以看出，同一温度下，随着SiO2含量(10%)的增加，HDPE/SiO2复合材料的导热系数降低。25 ℃条件下，当SiO2的含量为4%、8%和10%，HDPE复合材料的导热系数分别为52.5、47.5和37.5 mW/(m·K)。空气的导热系数较低，SiO2低于10%时，随着SiO2含量增大，HDPE基体中空气占比增大，HDPE/SiO2复合材料的总导热系数下降，保温性能提升。SiO2的掺杂量高于10%时，由于复合材料中两相相容性变差，出现相分离，辐射热扩散增加导致保温性能下降。当材料的导热系数低于50 mW/(m·K)，具有良好的保温性能，因此掺杂适量的SiO2可制备保温材料。3结论掺杂适量的SiO2可以提高HDPE/SiO2的热稳定性、力学性能、阻尼性能和隔音保温功能。SiO2的添加可以提高HDPE材料的热稳定性。相比HDPE，HDPE/SiO2的阻尼性能明显提升。HDPE/SiO2(10%)具有较优的力学性能，且共振频率向高频移动，其隔声指数与HDPE相比提高34.5%，导热系数降至37.5 mW/(m·K)，保温性能明显提升。经SiO2改性的HDPE复合材料可用于制备高性能建筑材料。