添加剂对回收废弃PE材质滴灌带再生材料力学性能的影响

郭 斌，吴守军，朱德兰

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

我国目前已成为全球滴灌应用面积最大的国家[1]。目前我国最广泛使用的一次性单翼迷宫式滴灌带，主要由HDPE、LDPE、LLDPE混合后；并加入少量炭黑混合而成。由于滴灌带位于农田表层，受光照、气候影响，老化较快，使得滴灌带的寿命较短，不仅造成了人力上的浪费，更换管带所产生的成本费用，也间接造成了资源浪费和环境污染。目前，已有将废弃滴灌带回收作为原料添加制造的再生滴灌带，但再生滴灌带质量远不及新品，不能满足农户需要[2-4]，故农户回收滴灌带的积极性较低。以其他PE塑料回收再生料制造的制品同样也存在力学性能及质量稳定性下降的情况，使得回收再利用的范围降低。

研究表明全新PE混合材料制备的滴灌带经过11个月的田间灌溉前后的拉伸应力----应变曲线有着相近的应力峰值，类似的线型变形和拉伸应变行为，拉伸强度和延伸率有所降低；但随着灌溉时间的增加，断后的自然回弹率明显下降。由此可见，PE材料老化以后其性能下降，若直接作为原材料进行再生使用，新品会延续原材料老化以后的低劣性能。因此，为了提高再生滴灌带的力学性能和使用寿命，需要改善废旧原材料的弹性，强度，抗开裂等性能。

已有很多关于提高全新聚乙烯材料性能的改性工作，如：M Faker通过共混改性将PE与EVA共混以研究它们的流变和力学性能[5]，H A Khonakdar等人研究了PE/EVA共混物的力学性能与热性能[6]，这些研究表明：PE/EVA共混可以赋予PE更优良的柔韧性、加工性，较好的透气性和印刷性等优点[7-9]；而通过加入过氧化物交联反应产生的交联聚乙烯可以提高聚乙烯的物理力学强度，并显著改善其耐环境应力开裂性[10-13]，如：T Yamazaki等人的以DCP作为交联剂，交联反应后的聚乙烯的力学性能均有很大提高[14]；H C Kuan等人以DCP作为引发剂，针对LLDPE、LDPE、HDPE中的一种进行的交联反应，结果同样显示交联后的PE的力学性能得到提高[15]；A J Zattera 等人研究了针对废旧PE日用品的以加入EVA与DCP共混改性的研究，发现EVA与DCP可以降低废旧PE的结晶度而使原材料得到软化，即提高了再生PE材料的弹性[16]。但目前国内外研究中被改性对象多为全新材质的HDPE、LDPE、LLDPE或他们与废旧料混合料，没有对全部由3种混合料的废旧料改性研究。研究EVA和过氧化物对由HDPE、LDPE、LLDPE混合物的废弃料性能的影响，对于废弃PE料的再生利用具有直接的应用指导作用和显著的经济、环保价值。

本文通过试验研究了掺入不同比例EVA与DCP对废旧PE滴灌带再生材料力学性能的影响，得到了能够综合改善废旧PE滴灌带再生材料力学性能的两者含量。

1 材料与测试方法

1.1 实验材料

以杨凌秦川节水灌溉设备工程有限公司生产的全新单翼迷宫滴灌带，在经宁夏固原农业试验站使用1 a后，粉碎造粒料作为废旧PE材料。EVA使用的是韩国三星生产的牌号ZE280L的注塑级工程塑料，VA含量27.8%，熔融指数1.7 g/min。DCP为上海沪试实验室器材股份有限公司生产的化学纯DCP。

1.2 实验方法及过程

废旧PE原料在添加改性剂后搅拌均匀，经注塑机成形并经哑铃制样机做出试样。单因素EVA的实验中所测试EVA含量所占原始废料的0%～20%，以2%为一个间隔；单因素DCP的实验中所测试DCP含量为0%～1.2%，以0.2%为一个间隔；在EVA与DCP共混实验中EVA共设置4个不同含量：0%、6%、8%、10%；分别与DCP设置的4个含量：0%、0.2%、0.4%、1%交互进行配方实验。试样标准与实验流程遵从国家标准《塑料拉伸性能试验方法GB/T1040-92》；其中，试样尺寸为Ⅱ型试样，标距为30 mm，拉伸速度选为20 mm/min。每个处理重复5次，各指标取平均值。

有3个主要的样品测试指标：断裂伸长率；断后自然回弹率；拉伸强度。其中：

断裂伸长率：

(1)

自然回弹率：

(2)

式中：εt为断裂伸长率；εr为自然回弹率；G为标距段最大拉伸长长度；Gr卸载后自然恢复后标距段长度；G0为标距段原始长度。

2 结果与讨论

2.1 EVA含量对再生料力学性能的影响

图1为单独加入EVA时对PE回收再生料力学性能的影响变化图。由图1可以看出，体现出PE弹性性能的断裂伸长率和断后自然回弹率均先随着EVA的增加而增加，在EVA含量为10%的时达到峰值，随后，随着EVA的增加而呈现下降趋势。但断裂伸长率的随EVA含量的增加变化更为明显。而拉伸强度的变化趋势亦是先增后减，同样在EVA含量为10%时达到最大值。拉伸强度在EVA含量15%时达到最低点，之后又有了提高的趋势。综合3条曲线可以得出，EVA对PE回收再生料的拉伸强度、断裂伸长和断后自然回弹率在一定范围内有着改善提高到的作用，单因素下EVA含量为10%时综合改善效果最好。

图1 EVA对PE回收再生料力学性能的影响Fig.1 The effect of EVA on mechanical properties of renewable PE materials

2.2 DCP含量对再生料力学性能的影响

图2为单独加入DCP时对PE回收再生料力学性能的影响变化图。由图2可以看出再生料的断裂伸长率和自然回弹率均随着DCP含量的增加而降低，在DCP超过0.2%以后急剧降低，在0.8%以后逐渐平稳，仅在DCP接近1%时小幅度上升，且断裂伸长率在小剂量DCP时的下降速度比自然回弹率更大。而拉伸强度则先随着DCP的增加而增加，在DCP 0.6%、0.8%时达到最大值，随后随着DCP含量的增加而降低。当DCP含量为0.6%或0.8%时样品的强度较高，但弹性较低。总体来看，少量DCP对强度有着较好的提高，但会严重降低断裂伸长率与自然回弹率。

图2 DCP对PE回收再生料力学性能的影响Fig.2 The effect of DCP on mechanical properties of renewable PE materials

2.3 EVA与DCP组合对回收再生料力学性能的影响

图3为不同比例的EVA与DCP混合料对PE回收再生料力学性能的影响变化图。由全新PE材料100%virgin组与未添加改性剂的回收料0%E+0%D+w-PE组的对比可以看出，聚乙烯材料在经过室外使用老化后的性能下降十分明显。在不同的改性剂配比中，PE 试样的断裂伸长率与断后自然回弹率受DCP影响较大，在EVA含量一定的情况下均在DCP含量为0.4%时达到最大值，同时试样的强度也随着DCP含量的增长而下降。在各改性组中，各项指标均在6%E+0.4%D+w-PE组达到最大值。其中，断裂伸长率与断后自然回弹率相对于原始废料0%E+0%D+w-PE组略有提高或变化不大，而拉伸强度则有较大的提升。故EVA与DCP配比为6%+0.4%时，对废旧PE材料的改良工作较好。

图3 EVA与DCP混合料对PE回收再生料力学性能的影响Fig.3 The effect of EVA blend with DCP on mechanical properties of renewable PE materials

2.4 典型拉伸应力应变曲线的对比

图4为几条典型拉伸应力应变曲线的对比图。可以看出，原始废料组的强度较低，但伸长量较大。这同样说明DCP对弹性的影响较大，少量的加入也会影响样品的弹性。在曲线的对比中，改性组之间的拉伸强度差异不大；在伸长量上：原始废料组>6%EVA+0.4%DCP组>8%EVA+0.4%DCP组>10%EVA+0.4%DCP组。且经过改性后的各组曲线形状与原始废料组有所不同，脆断更加明显。可以看出，6%EVA+0.4%DCP组的强度最高，且其伸长量减小量不大，故该组配方最优良。

图4 典型拉伸应力应变曲线的对比Fig.4 Contrast of typical stress-strain curve

3 结 语

(1)乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)可以有效提高再生PE材料的弹性性能，单因素下改性再生料的断裂伸长率、自然回弹率以及拉伸强度均先随着EVA含量的增大而增大，在EVA含量8%或10%时达到最大，随后随着EVA含量增加而降低。

(2)过氧化二丙苯(DCP)则可以提高拉伸强度。适量的DCP可以有效地提高改性再生料的断裂强度，但会降低其弹性性能。而当DCP含量较高时，会降低样品的弹性性能。0.6%或0.8%的DCP可使改性再生料的强度达到最大，但对弹性影响较大；0.4%的DCP则可大幅改善强度且对弹性性能影响较小。

(3)将EVA与DCP混合后改性再生料的力学性能变化与单因素下的变化趋势基本相同。当改性剂为6%EVA+0.4%DCP时，可以同时有效综合改善改性再生料的强度、断裂伸长和弹性。

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