廢棄XLPE增強HDPE的力學和摩擦性能研究*

陸 露 高 宇 郭川東 梁偉忠 向定漢

(1.桂林國際電線電纜集團有限責任公司 廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學材料科學與工程學院 廣西桂林 541004)

交聯聚乙烯(XLPE)由于其三維網絡，綜合性能較好，在各個領域具有廣泛應用，尤其是在電線電纜行業。據不完全統計，一家中型的電線電纜生產企業每年要產生數百噸的廢棄XLPE。XLPE屬于熱固性材料，受熱不熔，并難溶于溶劑，因此回收利用對資源再生和環境保護都有一定的價值[1-7]。謝大榮等[8]將XLPE與LDPE共混，并用AC發泡劑進行發泡，制得的復合材料的性能良好。ZHANG等[9]采用固相剪切碾磨粉碎法回收XLPE,將XLPE回收料與橡膠輪胎共混并擠出，所得復合材料力學性能良好。酈華興等[10]通過熱降解和機械降解得到了XLPE回收料，將回收料與HDPE、EVA等助劑共混，得到的復合材料性能良好，具有顯著的經濟效益和社會效益。但以上研究均未提及復合材料的實際應用，且未進行材料的摩擦磨損研究。本文作者從經濟性和實用性考慮，選擇粉碎原料進行部分解交聯，并制成XLPE/HDPE復合材料。該復合材料可用于生產排污管，而排污管內常年有沖蝕磨損，故研究復合材料力學性能、摩擦性能的影響尤為重要。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器設備

廢棄交聯聚乙烯，桂林國際電線電纜集團有限責任公司提供；高密度聚乙烯(HDPE)，DGDB-2480 NT,陶氏化學公司生產；丙酮，分析純，衡陽市凱信化工試劑有限公司生產。

電熱恒溫鼓風干燥箱，型號為DHG-9123A，上海齊欣科學儀器有限公司生產；原泰奇氣引式粉碎機，祐麒機械有限公司生產；電子天平，型號為FB224，上海舜宇恒平科學儀器有限公司生產；轉矩流變儀，型號為XSTTR-300，上海新碩精密機械有限公司生產；微型注射機，型號為SZ-15，武漢市瑞鳴塑料機械制造公司生產；擺錘沖擊試驗機，型號為ZBC-l25l-l,深圳市新三思材料檢測有限公司生產；場發射掃描電子顯微鏡，型號為Quanta FEG 450，美國FEI公司生產；電子萬能試驗機，型號為SPL-10 KN，日本島津公司生產；多功能摩擦磨損試驗機，型號為MM-W1B,濟南時代試金試驗機有限公司生產。

1.2 試樣的制備

廢棄XLPE電纜原料表面用丙酮清洗干凈，將電熱恒溫鼓風干燥箱設置到110 ℃，將整根廢棄電纜料放入加熱，5 min左右拿出，趁熱用美工刀切成5 mm3左右的塊體，用粉碎機粉碎成100～200 μm3大小的顆粒。顆粒微觀形貌如圖1所示。

圖1 回收XLPE粒料微觀SEM圖Fig 1 SEM images of recycled XLPE granules

將轉矩流變儀1—3區升溫到180 ℃，轉速為30 r/min，將XLPE按不同質量分數與HDPE混合后放入流變儀內混煉(如表1所示)，得到XLPE/HDPE復合材料，再用微型注塑機將復合材料加工成型，注塑模具溫度為90 ℃。

表1 XLPE/HDPE復合材料組成及編號Table 1 Numbers and composition of XLPE/HDPE composite materials

1.3 性能測試

拉伸性能：按照GB/T 1040.2—2006使用電子萬能試驗機按照1BA型試樣測試其拉伸強度和斷裂拉伸應變，其中試樣總長度為78 mm,厚度為2 mm,標距為25 mm，分5組測試，取平均值。其中拉伸速率為10 mm/min。

缺口沖擊性能：按 GB/T 1043—93在擺錘沖擊試驗機上進行。

摩擦磨損性能測試：按照GB 3960—83在MM-W1B多功能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-盤式摩擦副，摩擦對偶件為45鋼，摩擦試樣采用3個高12 mm，直徑4.7 mm的柱狀體。實驗條件為載荷200 N，轉速200 r/min，實驗時間2 h，摩擦因數由計算機采集和記錄，比磨損率可由公式(1)計算出。每次實驗前都用砂紙打磨對磨件，再用丙酮溶液清洗對磨件和樣品。晾干后完成對樣品的稱量，稱量3次，取平均數。

(1)

式中:Ws為比磨損率(mm3/(N·m));m0為摩擦前試樣質量(mg)；m1為摩擦后試樣質量(mg)；r為摩擦半徑(m)；n為轉數；FN為試驗力(N)；ρ為密度(mg/mm3)。

將拉伸、沖擊斷面及磨損后的表面用丙酮清洗后噴金，用掃描電鏡對試樣表面形貌進行微觀分析。

2 結果與討論

2.1 XLPE/HDPE復合材料拉伸性能分析

圖2示出了XLPE/HDPE復合材料的拉伸強度、斷裂標稱應變、斷裂伸長率隨XLPE含量變化的曲線，可以看出XLPE含量的增加對拉伸強度的影響不大，而斷裂標稱應變呈現先上升后下降的趨勢，斷裂伸長率有微弱的下降，其中HDPE/XLPE添加量最高的6#試件(質量分數10%)對比純HDPE斷裂標稱應變下降了約36%，斷裂伸長率下降了約33.3%。二者最終呈下降的趨勢可能是因為交聯聚乙烯的結構是三維網狀，經過高溫粉碎和流變儀流變也只能將其裂解，與線性的HDPE分子結構不同，廢棄交聯聚乙烯只達到了部分解交聯，與HDPE線性分子的結合受到了影響，導致了拉伸性能的輕微降低。下降趨勢不太大的原因在于XLPE解交聯時發生斷裂的位置在化學鍵結合較弱的地方，這樣分解后的基團再經過反復的循環力作用，三維網絡進一步打破，降低了交聯度，有助于和HDPE分子的二次結合。

圖2 HDPE/XLPE的拉伸強度、斷裂標稱應變(a)及斷裂伸長率(b)變化曲線Fig 2 Curves of tensile strength,nominal fracture strain (a) andelongation at break (b) of HDPE/XLPE composites

圖3為純HDPE與部分復合材料的拉伸斷口形貌SEM圖，可以看出部分拉伸斷面較為均勻，說明在拉伸斷裂過程中出現了塑性變形，由圖3(c)可以看出有一些絲狀結構，且有些不均勻，說明此處發生了韌性斷裂。

圖3 XLPE/HDPE復合材料拉伸斷面SEM圖Fig 3 SEM images of tensile sections of XLPE/HDPE composite materials (a) HDPE;(b) HDPE+2%XLPE;(c) HDPE+4%XLPE;(d) HDPE+10%XLPE

2.2 XLPE/HDPE復合材料沖擊性能分析

圖4示出了復合材料缺口沖擊強度隨XLPE質量分數的變化曲線，可以得出缺口沖擊強度的變化趨勢為先增加后減少，在4#試樣(6%XLPE/HDPE)中達到頂峰，達到30.9 kJ/m2,比純HDPE(24.6 kJ/m2)提高了25.6%。

圖5所示為各個配方復合材料的缺口沖擊斷面形貌，可以看出共混物斷面呈現微孔狀，說明復合材料斷裂受力后有著較大的塑性變形，為韌性斷裂。從圖5(b)中可以看到有部分不均勻的拉絲形貌，這是牽伸體，擁有更為致密的結構，當斷裂的裂紋碰到XLPE粒子時，擴展發生停止，這說明填料物質為基體提供了應力集中體，阻礙了擴展，提高了復合材料的缺口抗沖擊強度[11]。圖5(c)、(d)中，從斷面基本看不到XLPE粒子的痕跡，這說明隨著XLPE添加量的增加，晶體粒徑逐漸減小，說明回收XLPE可以細化晶粒，從而提高制品的沖擊強度。圖5(e)、(f)中，由于XLPE添加量過多，導致復合材料相容性變差，從而降低了缺口沖擊強度。

圖 4 復合材料缺口沖擊強度隨XLPE質量分數的變化曲線Fig 4 The change curve of notched impact strength ofcomposite material with XLPE mass fraction

圖5 XLPE/HDPE復合材料沖擊斷面SEM圖Fig 5 SEM images of impact cross-section of XLPE/HDPE composite materials (a)HDPE;(b)HDPE+2%XLPE;(c)HDPE+4%XLPE;(d)HDPE+6%XLPE;(e)HDPE+8%XLPE;(f)HDPE+10%XLPE

2.3 XLPE/HDPE復合材料摩擦磨損性能分析

圖6給出了復合材料摩擦磨損性能隨XLPE質量分數的變化曲線?？梢钥闯?，隨著XLPE的增加，復合材料摩擦因數呈現先減小后增大的趨勢，分別為0.169、0.148、0.163、0.170、0.175、0.200。當XLPE質量分數為10%時，復合材料摩擦因數比純HDPE增加了19%，這是因為隨著實驗的進行，對摩面上會逐漸形成一層轉移膜，而XLPE硬度較高，容易嵌入HDPE的試樣基體內，在形成轉移膜的過程中，若XLPE粒子含量適當且分散較為均勻時，當其受到剪切作用，較高的表面能能夠使轉移膜附著得更為順利[12]；轉移膜的形成使得聚合物和對摩件的摩擦變為聚合物和聚合物之間的摩擦，這使得摩擦因數能夠在XLPE一定添加量內降低。當XLPE添加量太多時，由于XLPE導致分散不均勻，基體結構不夠連續，增加了對偶面的接觸面積，導致摩擦因數增大。

另外，從圖6中還可看出，廢棄XLPE的加入使得復合材料的比磨損率先增加再減少再增加， XLPE質量分數為6%時，比磨損率為1.513×10-6mm3/(N·m),相較于純HDPE降低了10.10%。這說明XLPE質量分數為6%的復合材料在所有配方中耐磨性較好。究其原因，純HDPE抗剪切能力不足，抗犁溝效應較差[13]；XLPE由于其具有三維網絡結構，硬度較大，在復合材料中起到增強作用，增強了材料的抗犁切能力，提高了復合材料的耐磨性。

圖6 復合材料摩擦因數和比磨損率隨XLPE質量分數變化曲線Fig 6 The friction coefficient and specific wear rate curvesof composite materials with XLPE mass fraction

圖7所示為復合材料試樣磨損表面的噴金SEM圖，其中HDPE的磨損表面能夠看出材料撕裂的痕跡，這些材料粘附在對磨面上，形成轉移膜，還有一些形成磨損屑，從這說明純HDPE由于材料較軟，會粘附在對磨件表面，主要為黏著磨損。

從圖7(b)—(e)可以看到，2%～8%XLPE增強復合材料的黏著磨損現象減弱，但能看到磨痕中有一些粒子，因為XLPE的三維結構作為剛性支撐點會帶來輕微的磨粒磨損現象[14]，但塑料較軟，可以包容一些異物，因此，復合材料表層變成了粒子增強型或彌散增強型，耐磨性有相當的提高，故這個階段的配方，比磨損率較小[15]。但塑料的包容能力有限，從圖7(f)可以看出，10%XLPE增強復合材料磨損表面很明顯能看到團聚，加速了磨粒磨損和疲勞磨損的發生，增加了比磨損率。但總體來看，適量XLPE的加入對復合材料的耐磨性及摩擦因數影響不大。

圖7 XLPE/HDPE復合材料表面摩擦磨損SEM圖Fig 7 SEM images of friction and wear of XLPE/HDPE composite materials (a)HDPE;(b)HDPE+2%XLPE;(c)HDPE+4%XLPE;(d)HDPE+6%XLPE;(e)HDPE+8%XLPE;(f)HDPE+10%XLPE

3 結論

(1)利用廢棄XLPE增強HDPE，隨著XLPE質量分數的增加，拉伸強度有輕微降低的趨勢，缺口沖擊強度先增加后減少，摩擦因數先減少后增加，比磨損率先增加后減小再增加。

(2)適量的XLPE在沖擊過程中為HDPE基體提供應力集中作用，可以提高材料的缺口沖擊性能。

(3)少量廢棄XLPE的添加對復合材料的摩擦性能影響不大，主要表現為磨粒磨損，若廢棄XLPE添加量過多時，會表現為疲勞磨損。