PE/POE共混改性塑料草坪力學(xué)性能分析

李洪偉， 張秀斌

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110142)

人工草坪具有環(huán)保、不受天氣影響、鋪設(shè)保養(yǎng)方便、安全性好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此它的應(yīng)用范圍十分廣泛［1］.現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多采用以PE作為主要材料制備塑料草坪.PE具有來源廣且豐富、價(jià)格便宜、易加工、需求量大等優(yōu)點(diǎn)［1－3］.PE材料的人造草坪質(zhì)地柔軟，緩沖性能良好，但純PE材料在力學(xué)性能、流變性能、抗老化性、光澤度等方面無法達(dá)到對(duì)塑料草坪性能的要求，通過各種物理、化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行改性處理，可使其性能得到改善，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，滿足人們對(duì)材料的不同需求［4－10］.目前聚乙烯與彈性體共混改性塑料草坪具有廣泛的發(fā)展前景.為探索聚乙烯與彈性體共混塑料草坪的力學(xué)性能，本研究在對(duì)進(jìn)口塑料草坪性能測(cè)試的基礎(chǔ)上，采用PE/POE共混體系，在力學(xué)性能方面可以基本達(dá)到對(duì)塑料草坪性能的要求.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與儀器及設(shè)備

低密度聚乙烯(LDPE)，1810D，中國(guó)石油化工股份有限公司;線型低密度聚乙烯(LLDPE)， FB-18022，中國(guó)石油吉林石化公司;聚乙烯辛烯共彈性體(POE)，DF610，美國(guó)陶氏化學(xué)公司.

高速注射機(jī)，F(xiàn)W80，無錫格蘭機(jī)械有限公司;螺桿擠出機(jī)，SHJ-20，南京杰恩特機(jī)電有限公司;微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，RGL-30A，深圳市瑞格爾儀器有限公司;懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，XJU-22，河北承德試驗(yàn)機(jī)廠;邵氏硬度計(jì).

1.2 性能測(cè)試

通過擠出造粒進(jìn)行熔融共混，然后將聚合物粒料通過注塑機(jī)進(jìn)行注射成型，得到試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率，沖擊彈性等力學(xué)性能.

拉伸強(qiáng)度(斷裂伸長(zhǎng)率):拉伸速度50 mm/ min，參照GB1040-1992;沖擊回彈性:參照GB/T 1681-2009;邵氏硬度計(jì)，參照GB/1633-2000.

2 結(jié)果與討論

2.1 POE含量對(duì)PE/POE共混體系性能的影響

2.1.1 POE含量對(duì)共混物抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖1為POE含量對(duì)共混物材料力學(xué)性能的影響，同時(shí)比較拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化.由圖1可知:純LDPE的拉伸強(qiáng)度較高而斷裂伸長(zhǎng)率較低，POE正好與之相反，在LDPE中加入POE后，隨著POE含量的增加，共混物的拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率基本呈現(xiàn)連續(xù)的變化，且隨POE含量增加，共混物的拉伸強(qiáng)度逐漸減小，而斷裂伸長(zhǎng)率呈增大趨勢(shì).這主要是由于POE具有良好的韌性，在LDPE中充當(dāng)了良好的增韌劑，從而大大改善了LDPE性脆的缺點(diǎn).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，共混物的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到理想效果.

圖1 POE含量變化對(duì)共混物拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.1 Effects of POE blend content on the tensile strength and elongation at break

2.1.2 POE含量對(duì)共混物沖擊彈性的影響

沖擊彈性是對(duì)塑料草坪很重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)，它體現(xiàn)草坪的抗倒伏能力.圖2為POE含量不同時(shí)對(duì)共聚物沖擊彈性的影響.

圖2 POE含量變化對(duì)共混物沖擊彈性的影響Fig.2 Effects of POE content on the bounce impact elasticity of the blend

由圖2可以看出:沖擊彈性總體的趨勢(shì)是隨POE含量的增加而增大，在POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于80%時(shí)沖擊彈性增長(zhǎng)緩慢，80%以后沖擊彈性急劇增大.這是由于POE是一種性能優(yōu)異的熱塑性彈性體，其本身就具有很高的沖擊彈性，而PE本身的沖擊彈性較低.因此，在將POE加入到共混體系中后，可以很明顯地改善體系的沖擊彈性.這種良好的沖擊彈性正是實(shí)際所需要的.

2.1.3 POE含量對(duì)共混物硬度的影響

通過測(cè)試多個(gè)試樣的邵氏硬度，得到一系列數(shù)據(jù)，以POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為橫坐標(biāo)，邵氏硬度為縱坐標(biāo)作圖，如圖3所示.由圖3可以看出:共混物的硬度隨POE含量的增加而逐漸降低，純LDPE的硬度為86，而當(dāng)體系為純POE時(shí)硬度只有55，這充分說明POE具有良好的柔韌性，主要原因是POE是乙烯-辛烯的共聚物，乙烯為POE提供了長(zhǎng)鏈的骨架結(jié)構(gòu)，由于主鏈基本為單鍵，鼓起柔順性很好，一方面辛烯的柔軟鏈卷曲結(jié)構(gòu)和結(jié)晶的乙烯鏈作為物理交聯(lián)點(diǎn)，使它既有優(yōu)異的韌性又有良好的加工性，另一方面由辛烯構(gòu)成的聚合物支鏈，破壞了聚合物的規(guī)整性，從而降低其結(jié)晶度，進(jìn)而增加POE的柔順性.

圖3 POE含量變化對(duì)共混物硬度的影響Fig.3 Effects of POE content on the hardness of the blend

2.2 LDPE/LLDPE的比例對(duì)共混物的影響

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定POE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，PE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，降低PE中LDPE含量，同時(shí)增加LLDPE含量，對(duì)該混合體系進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖7所示.

2.2.1 LDPE/LLDPE的比例對(duì)共混物拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率影響

從圖4可以看出:共混物中隨著LLDPE比例的增大，共混物的拉伸強(qiáng)度首先出現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，然后稍微上升.同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)的變化也不明顯，曲線出現(xiàn)2次轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)一個(gè)極小值，另外還出現(xiàn)一個(gè)極大值，即先減小，后增大，最后又減小.由此可見，LLDPE在添加到共混體系后對(duì)體系的拉伸性能影響不顯著，增加體系LLDPE的含量對(duì)共混物的力學(xué)性能沒有太大影響，同時(shí)還能降低材料的成本.

圖4 不同比例的PE對(duì)共混物拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.4 Effects of different ratios of PE on the tensile strength and elongation at break

2.2.2 LDPE/LLDPE的比例對(duì)共混物沖擊彈性的影響

圖5為不同比例的PE對(duì)共混物沖擊彈性的影響.

圖5 不同比例的PE對(duì)共混物沖擊彈性的影響Fig.5 Effects of different ratios of PE on the bounce impact elasticity

從圖5可以看出:隨著LLDPE比例的增大，共混物的沖擊彈性隨之下降，這主要是由于LLDPE具有窄分子量分布和短支鏈，而高壓LDPE具有長(zhǎng)支鏈結(jié)構(gòu)，LLDPE的纏結(jié)結(jié)構(gòu)要比LDPE少得多，因此LLDPE在外力作用下更容易發(fā)生構(gòu)象的調(diào)整，甚至發(fā)生分子間的滑移，在圖像上就表現(xiàn)出沖擊彈性下降的趨勢(shì).但總體來說，下降幅度不大.因?yàn)轶w系中主要影響彈性的POE彈性體含量固定，增加PE中LLDPE含量對(duì)體系沖擊彈性影響不大.

2.2.3 LDPE/LLDPE的比例對(duì)硬度的影響

圖6為不同比例下的PE對(duì)體系邵氏硬度的影響.從圖6可以看出:體系的硬度隨著LLDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，基本呈現(xiàn)線性變化.聚乙烯短支鏈的存在會(huì)干擾主鏈的結(jié)晶，因此增加短支鏈就會(huì)破壞結(jié)晶和降低密度.結(jié)晶度的降低使分子的柔順性增加，所以隨著LLDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加體系的柔順性也相應(yīng)增加，在圖像上表現(xiàn)出線性增大的趨勢(shì).

圖6 不同比例的PE對(duì)共混物硬度的影響Fig.6 Effects of different ratios of PE on the hardness

2.3 POE對(duì)LDPE結(jié)晶行為的影響

PE與PE/POE的X射線衍射圖如圖7所示.

圖7 PE與PE/POE的X-射線衍射圖譜對(duì)照Fig.7 PE and PE/POE X-ray diffraction patterns

從圖7可以看出:2個(gè)樣品都出現(xiàn)了3個(gè)主要的衍射峰，衍射角分別為9.6°，21.42°，28.7°，對(duì)應(yīng)于 LDPE正交晶系中的(110)、(200)、(020)晶面.非晶區(qū)的散射中心位于2θ為19.8°的位置曲線中沒有出現(xiàn)單斜和三斜晶系的衍射峰，且加入POE后3個(gè)衍射峰的強(qiáng)度和位置基本沒有發(fā)生變化，這說明POE的加入并沒有改變LDPE的晶型.

POE存在微弱的熔融結(jié)晶行為，但由于本身的結(jié)晶很不完善，所以在X射線衍射曲線中看不到它的特征結(jié)晶衍射峰.

3 結(jié)論

(1)POE可以對(duì)PE起到增韌作用.隨著POE含量的增加，共混物的硬度、拉伸強(qiáng)度逐漸變小，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊彈性呈增長(zhǎng)趨勢(shì).

(2)當(dāng)共混體系中LLDPE含量增加時(shí)，體系的硬度增加，沖擊彈性下降，拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率先降低，隨后升高.可見在共混物中加入LLDPE降低成本的同時(shí)，其對(duì)共混物的力學(xué)性能影響不大.

(3)POE存在微弱的熔融結(jié)晶行為，但是由于本身的結(jié)晶很不完善，所以在X射線衍射曲線中看不到它的特征結(jié)晶衍射峰，POE的加入并沒有改變LDPE的晶型.

(4)通過與進(jìn)口草坪性能指標(biāo)對(duì)比，找到制造塑料草坪專用料的最佳質(zhì)量配比:m(LDPE)/ m(LLDPE)/m(POE)=17/43/40.

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