PE/POE共混改性塑料草坪力学性能分析

2011-01-24李洪伟张秀斌

沈阳化工大学学报 2011年2期

李洪伟，张秀斌

(沈阳化工大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110142)

人工草坪具有环保、不受天气影响、铺设保养方便、安全性好、经济实用等诸多优点，因此它的应用范围十分广泛［1］.现在国内大多采用以PE作为主要材料制备塑料草坪.PE具有来源广且丰富、价格便宜、易加工、需求量大等优点［1－3］.PE材料的人造草坪质地柔软，缓冲性能良好，但纯PE材料在力学性能、流变性能、抗老化性、光泽度等方面无法达到对塑料草坪性能的要求，通过各种物理、化学方法对其进行改性处理，可使其性能得到改善，扩大应用领域，满足人们对材料的不同需求［4－10］.目前聚乙烯与弹性体共混改性塑料草坪具有广泛的发展前景.为探索聚乙烯与弹性体共混塑料草坪的力学性能，本研究在对进口塑料草坪性能测试的基础上，采用PE/POE共混体系，在力学性能方面可以基本达到对塑料草坪性能的要求.

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器及设备

低密度聚乙烯(LDPE)，1810D，中国石油化工股份有限公司;线型低密度聚乙烯(LLDPE)， FB-18022，中国石油吉林石化公司;聚乙烯辛烯共弹性体(POE)，DF610，美国陶氏化学公司.

高速注射机，FW80，无锡格兰机械有限公司;螺杆挤出机，SHJ-20，南京杰恩特机电有限公司;微机控制电子万能实验机，RGL-30A，深圳市瑞格尔仪器有限公司;悬臂梁冲击实验机，XJU-22，河北承德试验机厂;邵氏硬度计.

1.2 性能测试

通过挤出造粒进行熔融共混，然后将聚合物粒料通过注塑机进行注射成型，得到试样进行力学性能测试，得到拉伸强度、断裂伸长率，冲击弹性等力学性能.

拉伸强度(断裂伸长率):拉伸速度50 mm/ min，参照GB1040-1992;冲击回弹性:参照GB/T 1681-2009;邵氏硬度计，参照GB/1633-2000.

2 结果与讨论

2.1 POE含量对PE/POE共混体系性能的影响

2.1.1 POE含量对共混物抗拉强度和断裂伸长率的影响

图1为POE含量对共混物材料力学性能的影响，同时比较拉伸强度和断裂伸长率的变化.由图1可知:纯LDPE的拉伸强度较高而断裂伸长率较低，POE正好与之相反，在LDPE中加入POE后，随着POE含量的增加，共混物的拉伸强度以及断裂伸长率基本呈现连续的变化，且随POE含量增加，共混物的拉伸强度逐渐减小，而断裂伸长率呈增大趋势.这主要是由于POE具有良好的韧性，在LDPE中充当了良好的增韧剂，从而大大改善了LDPE性脆的缺点.实验发现当POE质量分数为40%时，共混物的拉伸强度和断裂伸长率达到理想效果.

图1 POE含量变化对共混物拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.1 Effects of POE blend content on the tensile strength and elongation at break

2.1.2 POE含量对共混物冲击弹性的影响

冲击弹性是对塑料草坪很重要的一项性能指标，它体现草坪的抗倒伏能力.图2为POE含量不同时对共聚物冲击弹性的影响.

图2 POE含量变化对共混物冲击弹性的影响Fig.2 Effects of POE content on the bounce impact elasticity of the blend

由图2可以看出:冲击弹性总体的趋势是随POE含量的增加而增大，在POE质量分数小于80%时冲击弹性增长缓慢，80%以后冲击弹性急剧增大.这是由于POE是一种性能优异的热塑性弹性体，其本身就具有很高的冲击弹性，而PE本身的冲击弹性较低.因此，在将POE加入到共混体系中后，可以很明显地改善体系的冲击弹性.这种良好的冲击弹性正是实际所需要的.

2.1.3 POE含量对共混物硬度的影响

通过测试多个试样的邵氏硬度，得到一系列数据，以POE质量分数为横坐标，邵氏硬度为纵坐标作图，如图3所示.由图3可以看出:共混物的硬度随POE含量的增加而逐渐降低，纯LDPE的硬度为86，而当体系为纯POE时硬度只有55，这充分说明POE具有良好的柔韧性，主要原因是POE是乙烯-辛烯的共聚物，乙烯为POE提供了长链的骨架结构，由于主链基本为单键，鼓起柔顺性很好，一方面辛烯的柔软链卷曲结构和结晶的乙烯链作为物理交联点，使它既有优异的韧性又有良好的加工性，另一方面由辛烯构成的聚合物支链，破坏了聚合物的规整性，从而降低其结晶度，进而增加POE的柔顺性.

图3 POE含量变化对共混物硬度的影响Fig.3 Effects of POE content on the hardness of the blend

2.2 LDPE/LLDPE的比例对共混物的影响

根据以上实验，并结合实验数据，确定POE质量分数为40%，PE质量分数为60%，降低PE中LDPE含量，同时增加LLDPE含量，对该混合体系进行力学性能测试，实验结果如图4～图7所示.

2.2.1 LDPE/LLDPE的比例对共混物拉伸强度及断裂伸长率影响

从图4可以看出:共混物中随着LLDPE比例的增大，共混物的拉伸强度首先出现缓慢下降的趋势，然后稍微上升.同时断裂伸长率出现的变化也不明显，曲线出现2次转折，出现一个极小值，另外还出现一个极大值，即先减小，后增大，最后又减小.由此可见，LLDPE在添加到共混体系后对体系的拉伸性能影响不显著，增加体系LLDPE的含量对共混物的力学性能没有太大影响，同时还能降低材料的成本.

图4 不同比例的PE对共混物拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.4 Effects of different ratios of PE on the tensile strength and elongation at break

2.2.2 LDPE/LLDPE的比例对共混物冲击弹性的影响

图5为不同比例的PE对共混物冲击弹性的影响.

图5 不同比例的PE对共混物冲击弹性的影响Fig.5 Effects of different ratios of PE on the bounce impact elasticity

从图5可以看出:随着LLDPE比例的增大，共混物的冲击弹性随之下降，这主要是由于LLDPE具有窄分子量分布和短支链，而高压LDPE具有长支链结构，LLDPE的缠结结构要比LDPE少得多，因此LLDPE在外力作用下更容易发生构象的调整，甚至发生分子间的滑移，在图像上就表现出冲击弹性下降的趋势.但总体来说，下降幅度不大.因为体系中主要影响弹性的POE弹性体含量固定，增加PE中LLDPE含量对体系冲击弹性影响不大.

2.2.3 LDPE/LLDPE的比例对硬度的影响

图6为不同比例下的PE对体系邵氏硬度的影响.从图6可以看出:体系的硬度随着LLDPE质量分数的增加而增大，基本呈现线性变化.聚乙烯短支链的存在会干扰主链的结晶，因此增加短支链就会破坏结晶和降低密度.结晶度的降低使分子的柔顺性增加，所以随着LLDPE质量分数的增加体系的柔顺性也相应增加，在图像上表现出线性增大的趋势.

图6 不同比例的PE对共混物硬度的影响Fig.6 Effects of different ratios of PE on the hardness

2.3 POE对LDPE结晶行为的影响

PE与PE/POE的X射线衍射图如图7所示.

图7 PE与PE/POE的X-射线衍射图谱对照Fig.7 PE and PE/POE X-ray diffraction patterns

从图7可以看出:2个样品都出现了3个主要的衍射峰，衍射角分别为9.6°，21.42°，28.7°，对应于 LDPE正交晶系中的(110)、(200)、(020)晶面.非晶区的散射中心位于2θ为19.8°的位置曲线中没有出现单斜和三斜晶系的衍射峰，且加入POE后3个衍射峰的强度和位置基本没有发生变化，这说明POE的加入并没有改变LDPE的晶型.

POE存在微弱的熔融结晶行为，但由于本身的结晶很不完善，所以在X射线衍射曲线中看不到它的特征结晶衍射峰.