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[1-2]。汽车零部件的轻量化对于能源的节约具有重大的意义[3]。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[4]。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[5]。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[6]。冯宗东等[7]通过将玄武岩进行硅烷改性并添加到聚乙烯基底中，使得拉伸强度和弯曲强度最高增加了79.1%和118.9%；钟锐生等[8]制备了木质素-SiO2复合纳米颗粒，并将其复合到高密度聚乙烯中制备了木质素-SiO2/聚乙烯复合材料，结果表明复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了48.68%和73.57%。然而在单种粒子填充之中，可能会造成聚乙烯材料某一种性能提高而其他性能降低的负复合效应，因此不利于复合材料的实际应用[9-10]。由于二氧化硅和滑石粉具有较好的性能增强效果以及价格低廉等优点，被广泛应用于塑料以及橡胶性能增强之中[11]。本实验中，为综合不同纳米粒子间的相互作用，采用二氧化硅纳米粒子和滑石粉对聚乙烯进行填充改性，比较不同的纳米粒子含量对复合材料性能的影响，并评估其作为某汽车品牌结构材料的适用性。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，setline TGA，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，改性方法参考文献[11]。滑石粉在100 oC下干燥6 h，将100 g干燥滑石粉加入1 L水中分散，将其放入烧瓶，添加2.5 g硬脂酸钠和2.0 g KH500硅烷偶联剂进行混合，90 oC下反应3 h并离心干燥，得到改性滑石粉。表1为聚乙烯复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1聚乙烯复合材料的配方Tab.1Formula for polyethylene composites样品编号填充剂含量(5%)二氧化硅改性滑石粉00100110902208033070440605505066040770308802099010101000%%在聚乙烯含量为95%，填料二氧化硅和滑石粉含量为5%的前提下，将一定量的改性滑石粉和二氧化硅以及聚乙烯按照表1的配方进行配料，并在高速混合机下混合10 min，混合料通过双螺杆挤出机进行造粒，温度范围为240~260 oC。粉粒再通过冷却干燥并进行注塑成型，得到聚乙烯复合材料。纯聚乙烯材料采用相同的方法制备。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/T 1040—1992和GB/T 9341—2000进行测试。热变形温度测试：按GB/T 1634—2004进行测试。悬臂梁缺口冲击强度测试：按GB/T 1843—1980进行测试。热重分析：温度区间25~600 oC，N2气氛，升温速率10 oC/min。摩擦磨损测试：试样切割为直径3 mm的圆形片，将其用双面胶粘贴到直径3 mm的铝片上进行测试，试验机转速200 r/min，施加载荷分别为10、30、90 N，实验时间30 min。抗老化测试：按GB/T 16422.2—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图1为不同二氧化硅填料含量下聚乙烯复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。图1不同聚乙烯复合材料的拉伸强度和断裂伸长率Fig.1Tensile strength and elongation at break of different polyethylene composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001(a)拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002(b)断裂伸长率从图1可以看出，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21.3 MPa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。图2为不同聚乙烯复合材料的弯曲强度。从图2可以看出，随着二氧化硅含量的增加，复合材料的弯曲强度随之增加。这可能是由于二氧化硅作为一种无机增韧剂，可以有效地提高复合材料的刚性和耐蠕变性，因此增加了复合材料的弯曲强度。而测得的纯聚乙烯的弯曲强度为8.6 MPa，说明增强剂的加入可以有效地增加聚乙烯的弯曲强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图2不同聚乙烯复合材料的弯曲强度Fig.2Bending strength of different polyethylene composites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22.36 kJ/m2，图3为不同聚乙烯复合材料的冲击强度。从图3可以看出，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78 HR，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。图3不同聚乙烯复合材料的冲击强度和洛氏硬度Fig.3Impact strength and Rockwell hardness of different polyethylene composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004(a)冲击强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005(b)洛氏硬度图4为纯聚乙烯、100%二氧化硅、50%二氧化硅和100%滑石粉含量的聚乙烯复合材料的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F006图4不同聚乙烯复合材料的SEM照片Fig.4Microtopography of different polyethylene composites从图4可以看出，纯聚乙烯的结构较为平滑，内部并无过多的交联因此不具有较高的冲击性能。而在100%二氧化硅含量的聚乙烯复合材料中，可以看出二氧化硅与聚乙烯发生了互容，然而由于二氧化硅过多导致在内部产生了团聚，因此难以造成应力集中，冲击强度和硬度较低。而在二氧化硅和滑石粉含量均为50%的聚乙烯复合材料中，片状的滑石粉和颗粒状的二氧化硅粒子与聚乙烯基体进行互容，并且没有明显的二氧化硅粒子团聚，因此在该比例下具有较好的冲击强度。而在100%滑石粉含量的聚乙烯复合材料中，由于滑石粉作为片状结构，可以看到侧面有明显的裂纹，这一结果说明该样品在受到较大冲击力时，材料易发生滑移从而具有较低的冲击强度。综上所述，不同含量的二氧化硅和滑石粉与聚乙烯进行复合，对于其力学性能的改善具有较大差异，综合不同的性能指标，可以看出复合50%二氧化硅的聚乙烯复合材料的在各复合材料中具有最好的力学性能。2.1.2对聚乙烯复合材料热稳定性的影响图5为不同聚乙烯复合材料的热学性能。图5不同聚乙烯复合材料的热重温度和热变形温度Fig.5Thermogravimetric temperatures and thermal deformation temperatures of different polyethylene composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F007(a)热重温度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F008(b)热变形温度图5a为不同聚乙烯复合材料的热重温度，实验测得纯聚乙烯的初始分解温度和最大质量损失温度分别为363.5 oC和509 oC。从图5a可以看出，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452 oC和539 oC(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。图5b为不同聚乙烯复合材料的热变形温度。从图5b可以看出，二氧化硅含量50%的聚乙烯复合材料具有最高的热变形温度，这一原因与其热稳定性产生原因一致。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。表2为对比结果。从表2可以看出，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。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2制备样品性能指标与标准值对比Tab.2Comparison of the performance indexes of the prepared samples with the standard values性能测量标准某品牌汽车材料标准值样品性能指标拉伸强度/MPaGB/T 1040—1992大于2030.9断裂伸长率/%GB/T 1040—1992大于50474.3弯曲强度/MPaGB/T 9341—2000大于3232.4冲击强度/(kJ·m-2)GB/T 1843—1980大于1251.3热变形温度/oCGB/T 1634—2004大于100112.3洛氏硬度/RGB/T 9342—1988大于70R89.62.2.2聚乙烯复合材料的摩擦性能图6为不同聚乙烯复合材料与纯聚乙烯材料在不同载荷下的摩擦性能对比。从图6可以看出，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。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F009图6不同聚乙烯复合材料的摩擦性能Fig.6The friction properties of different polyethylene composites2.2.3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，表3为测试结果。从表3可以看出，在经过30 d的老化之后，纯聚乙烯和50%二氧化硅聚乙烯复合材料的冲击强度和洛氏硬度均有所下降，其中纯聚乙烯的冲击强度从22.36下降到了11.6 kJ/m2，下降了48.1%；而聚乙烯复合材料仅仅从51.3下降到了46.5 kJ/m2，下降幅度为9.4%。对于洛氏硬度，纯聚乙烯和聚乙烯复合材料分别从78 HR下降到52.8 HR和89.6 HR下降到74.3 HR，下降了32.3%和17.1%。这一结果产生的原因是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。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3老化前后材料的性能指标Tab.3Properties of materials before and after aging样品老化前冲击强度/(kJ·m-2)老化前洛氏硬度(HR)老化后冲击强度/(kJ·m-2)老化后洛氏硬度(HR)纯聚乙烯22.367811.652.8聚乙烯复合材料51.389.646.574.33结论(1)以二氧化硅和滑石粉作为聚乙烯塑料填充剂，制备了用于汽车工程应用中的工程塑料，由于两种填充剂的复合作用，可以使得复合材料具有较好的综合性能。(2)力学性能方面，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，这是由于两种填充剂所具有的不同特性所导致的。并且由于填充剂的加入，复合材料均具有较好的热稳定性。随着二氧化硅的增加，复合材料的冲击强度和硬度均先上升后下降，并在二氧化硅含量为50%时达到最大值。(3)综合以上性能，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。