MPEG对PE-HD/POM共混材料性能的影响

张攀，李又兵，2，李敬媛

MPEG对PE-HD/POM共混材料性能的影响

张攀1，李又兵1，2，李敬媛1

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 404100； 2.重庆市模具技术重点实验室，重庆 400050）

为改善高密度聚乙烯（PE-HD）/聚甲醛（POM）体系的相容性，采用聚乙二醇单甲醚（MPEG）作为相容剂，研究MPEG对PE-HD/POM共混材料性能的影响。结果表明，MPEG的加入提高了PE-HD/POM共混材料的力学性能，实验范围内随着MPEG用量的增加，共混材料的拉伸强度和冲击强度均不断提高；扫描电子显微镜、差示扫描量热及红外光谱分析表明，MPEG 的加入改善了共混材料的相容性。

PE-HD/POM；相容性；乳化；性能

聚乙烯（PE）是由乙烯单体为主要单体的热塑性材料，主要分为线性低密度聚乙烯（PE-LLD）、低密度聚乙烯（PE-LD）和高密度聚乙烯（PE-HD），是应用广泛的一类通用合成树脂［1］。与其它材料相比，PE材料低的吸水率、良好的绝缘性、加工性和耐腐蚀性能及较高的性价比［2］使其具有强劲的竞争力，成为目前产量最大、用途最广的通用合成树脂，尤其是PE-HD的应用已越来越受到行业推广。与PE-LD相比，PE-HD的硬度、拉伸强度及蠕变性均占优势，但是其低温抗冲击性能、抗应力开裂性能不好，并且PE材料属于非极性聚合物，与其他种类材料的相容性较差，因此其功能性较差。通过物理或化学方法对PE材料进行改性处理，可以改善其性能，适应更多领域的使用［3］。

增强改性PE可分为化学改性和物理改性两种方法。化学增强改性方法又可分为交联改性［4］、氯化改性［5］、氯磺化改性［6］。交联改性过程中需要使用催化剂、引发剂、抗氧化剂，改性过程不易控制。与此同时，交联改性得到的材料会失去热塑性和溶解性，因此废旧料的回收和降解存在很大问题，目前没有较好的解决办法［7］。氯化和氯磺化改性可以使PE的力学性能增强，并大幅度提高材料的化学稳定性、耐候性、耐老化性，但通过光或气体引发的改性方法过程不易控制，使用的溶剂毒性较大并对臭氧层有一定的破坏作用［8］。

物理增强改性一般分为填充改性、共混改性等。向PE中加入无机或有机粒子，可使塑料的性能有明显改善。李力［9］研究了碳纤维对PE性能的影响。结果表明，与纯PE相比，添加碳纤维的复合材料拉伸强度提升了18.4%，拉伸弹性模量增加了208.1%。并且复合材料的硬度得到了很大提升，疲劳寿命值也进一步提升。黄义仁等［10］研究了玻璃纤维对PE性能的影响。结果表明，玻璃纤维增强效果不仅和纤维与基材的相容性有关，也与玻璃纤维含量和分散取向有关［11］。宏观纤维的添加无需考虑纤维的耐热问题，可明显改善PE的热力学性能。但复合体系黏度增加，流动性能变差，难以加工成型，对设备的磨损较大，造成较高的加工成本，废料回收困难。

聚甲醛（POM）是一种主链具有—CH2O—结构的乳白色不透明高结晶性聚合物，具有分子结构规整、结晶度高的特性，并且强度、刚度、耐冲击性、抗蠕变性、耐疲劳性能优良［12］，可以作为良好的有机刚性粒子，对PE进行增强改性。但POM与PE的相容性较差，直接共混时体系冲击性能下降，需要加入相容剂进行改性。陈金耀等［13］研究了乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）对PE-LLD/POM体系摩擦性能的影响。结果表明，EAA使POM和PE-LLD的相容性有一定改善。相容性的改善降低了复合材料的摩擦系数和摩擦疤痕宽度，提升了复合材料的缺口冲击强度。邓文娟［14］分别选择了乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVAC）、丙烯酸酯共聚物（ACR）、EAA作为相容剂添加到PE-HD/POM体系中，对复合体系的相容性和力学性能进行研究对比。结果表明，添加不同相容剂后，复合材料的相容性均有提高。与另外两种相容剂相比，EAA相容剂能更好地改善POM与PE-HD的相容性。但少量丙酸型相容剂的添加对复合材料相容性的改善效果不明显，大量添加则会使复合材料产生层状剥离，造成力学性能下降，同时对复合材料的使用寿命造成影响。

聚乙二醇单甲醚（MPEG）一般用于制造洗涤剂、乳化剂和分散剂，具有良好的水溶性、润湿性、润滑性、生理惰性、对人体无刺激、温和，可以改变制品的黏度、吸湿性和组织结构，价格相对低廉，且MPEG的醚基能够与POM的醛基发生反应，同时具有很好的乳化作用，笔者选择MPEG作为PE-HD/POM共混体系的相容剂。

1　实验部分

1.1原材料

PE-HD：5000s，熔体流动速率（MFR）=1 g/ 10 min，挤出级，中国石油兰州石化公司；

POM：M90，MFR=9 g/10 min，注塑级，云天化集团有限责任公司；

MPEG：分子量2 200，分析纯，海安石油化工厂。

1.2主要仪器及设备

双螺杆挤出机：TSE-30A型，南京瑞亚高聚物装备有限公司；

注塑机：TTI-95G型，东华机械有限公司；

微机控制电子万能试验机：CMT6104型，美特斯工业系统（中国）有限公司；

悬臂梁冲击试验机：XJU-5.5型，承德市金建检测仪器有限公司；

扫描电子显微镜（SEM）：VEGAⅡ型，捷克Tescan公司；

差示扫描量热（DSC）仪：Q20型，美国TA仪器公司；

傅立叶变换红外光谱（FTIR）仪：Nicolet iS10型，美国Thermal Electron公司。

1.3试样制备

在前期研究的基础上，固定PE-HD与POM的质量比为80/20，MPEG的含量分别为0.1%，0.3%，0.5%，0.7%。将所需原料计算并称重后，先人工初步混合，然后添加到双螺杆挤出机中熔融混炼挤出造粒。经干燥后于注塑机中注塑成所需样条。

1.4性能测试

拉伸性能按GB/T 1040.2-2006测试，室温，拉伸速度50 mm/min；

冲击性能按GB/T 1843-1996测试，室温；

SEM分析：操作电压20 kV，真空，介质和环境温度15～25℃；

FTIR分析：KBr压片法，分辨率4 cm-1，扫描次数为64次，扫描范围4 000～400 cm-1；

DSC分析：氩气气氛，流量为50 mL/min，先在40℃环境下稳定2 min，以10℃/min升温速率升温到200℃，在200℃恒温2 min，随后以10℃/ min的速度降到40℃。

2　结果与讨论

2.1力学性能分析

图1 PE-HD/POM共混材料的拉伸强度变化趋势

图1示出MPEG含量对PE-HD/POM共混材料拉伸性能的影响。从图1可以看出，PE-HD/POM二元共混材料的拉伸强度为24.31 MPa，随着MPEG含量增加，共混材料的拉伸强度有所提高。当MPEG的添加量达到0.7%时，共混材料的拉伸强度达到最大值26.14 MPa，提升了7.5%。这可能是由于随着相容剂用量的添加，共混材料的相容性得到改善。

图2示出MPEG含量对PE-HD/POM共混材料冲击性能的影响。从图2可以看出，MPEG对共混材料的冲击性能有较大的改善作用。当MPEG的添加量达到0.1%时，共混材料的冲击强度提高到10.36 kJ/m2，与PE-HD/POM二元材料相比提高了78%，当MPEG的添加量达到0.7%时，共混材料的冲击强度提高到16.17 kJ/m2，提高了178%。由此可见，随着MPEG相容剂的添加，共混材料的相容性得到了一定改善，综合力学性能得到了提升。

图2　PE-HD/POM共混材料的冲击强度变化趋势

2.2SEM观察

图3是不同MPEG含量的PE-HD/POM共混材料断面SEM照片，照片放大倍数为2 000倍。

对比图3a和图3b可以看到，MPEG的添加使共混材料中POM分散相的分散均匀程度得到了提升，POM微纤结构更加细小，更加均匀。与此同时，MPEG的添加使断面上纤维被拉出形成的空洞减少，PE-HD与POM之间联系更加紧凑，说明MPEG的添加可以改善PE-HD/POM共混材料的相容性。

对比图3b，图3c，图3d，图3e可以看到，随着MPEG添加量增多，共混材料的分散相分散均匀程度得到了进一步的提高。与此同时，可以观察到断面上被拉出纤维的空洞进一步减少，刚性粒子POM以纤维状和椭球状较为均匀地分布在断面上。还可以观察到，PE-HD基体材料网络状结构清晰，放射状花样更加明显，此时PE-HD材料基体形成的网络状结构包覆POM分散相材料。说明MPEG材料的添加量增多，PE-HD/POM共混材料的相容性得到进一步提升。同时，SEM形貌变化与PE-HD/ POM共混体系的力学性能变化趋于一致。

图3　PE-HD/POM共混材料的脆断面SEM图片

2.3DSC分析

图4为PE-HD/POM共混材料的一次升降温DSC曲线。

由图4可以看到，加入MPEG后，PE-HD/ POM中PE-HD的熔融开始温度向高温漂移。未添加相容剂时PE-HD的熔融开始温度为124℃，当MPEG的添加量为0.5%时，熔融开始温度达到125.9℃，提升了1.9℃。观察熔融峰值的变化可以看到，未添加相容剂时PE-HD的熔融峰值为133.37℃，随着相容剂MPEG的添加，熔融峰值逐渐增加，当MPEG的添加量为0.5%时，熔融峰值为136.21℃，比PE-HD/POM二元共混材料提升了2.84℃。说明相容剂MPEG的添加改善了PE-HD /POM共混体系的相容性，在注塑成型的条件下，使PE-HD结晶更为完善。

2.4FTIR分析

图5为不同组分共混材料的FTIR曲线。从图5可以看出，添加MPEG相容剂前后PE-HD/POM共混材料的FTIR曲线透过峰的位置相同。

图4　PE-HD/POM共混材料的DSC曲线

图5　PE-HD/POM共混材料材料的FTIR谱图

对照聚合物的特征谱带位置图［15］，含有醛基聚合物的伸缩峰在1 700 cm-1附近，含有醚基聚合物的位置在1 100～1 200 cm-1，PE-HD/POM基体材料和添加了不同量MPEG相容剂的共混材料其官能团没有发生变化，说明MPEG相容剂的添加与PE-HD/POM基体材料并没有产生化学反应，其增容原理是通过物理乳化作用完成的。通过低分子量MPEG的加入，降低了PE-HD与POM的界面能，从而使PE-HD/POM相容性得到改善。

3　结论

（1）随着MPEG的加入，共混材料的拉伸性能提升，当MPEG的添加量为0.7%时，共混材料的拉伸强度从24.31 MPa提升到26.0 MPa，提升了6.9%；冲击强度从5.8 kJ/m2提升到16.17 kJ/ m2，提升了178%。

（2）通过SEM观察断面形貌发现，MPEG的加入可以改善共混材料的分散相分散均匀程度，改善共混材料的相容性。

（3）随着MPEG的加入，共混材料中PE-HD的熔融峰向高温漂移2.84℃。

（4） MPEG可以改善PE-HD/POM共混体系的相容性，但MPEG并未与共混体系发生化学反应，主要是以物理乳化作用降低界面能来进行增容的。

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Effects of MPEG on PE-HD/POM Blending Material Structure and Performance

Zhang Pan1， Li Youbing1，2， Li Jingyuan1
（1. College of Materials and Eengineering， Chongqing University of Technology， Chongqing 400050， China；2. Chongqing Key Laboratory of Mould Technology， Chongqing 400050， China）

In order to improve the compatibility of high density polyethylene （PE-HD）/polyoxymethylene （POM） blending system，polyethylene glycol monomethyl ether （MPEG） was used as a compatibilizer，and the effects of MPEG on PE-HD/POM blending performance were studied. Results showed that the mechanical properties of PE-HD/POM blending were improved by adding MPEG，within the scope of experiment ，both tensile strength and impact strength of blending were improved with the increase of MPEG dosage. The analyses of scanning electron microscope，differential scanning calorimetry and infrared spectrum showed that the compatibility of the PE-HD/POM blending system was improved with the addition of the MPEG.

PE-HD/POM；compatibility；emulsification；performance

TB332

A

1001-3539（2016）06-0050-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.011

联系人：李又兵，博士，教授，主要研究方向为高分子材料加工

2016-03-17