高强韧低密度聚乙烯导爆管的制备及性能研究

章彬彬,李洪伟,杨继年,雷 战,叶家明,桂继昌



高强韧低密度聚乙烯导爆管的制备及性能研究

章彬彬1,李洪伟1,杨继年2,雷 战1,叶家明1,桂继昌1

（1.安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南，232001；2. 安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽 淮南，232001）

为了提高低密度聚乙烯(LDPE)导爆管的强度和韧性，用高密度聚乙烯(HDPE)和Surlyn树脂进行共混改性，制备了高强韧低密度聚乙烯导爆管，并对改性前后两种导爆管分别进行了性能测试。实验结果表明：改性导爆管的爆速提高了3.18%，药粉中断最大距离提高了10mm；80℃时热收缩率由2.90%减少到0.85%；强度、刚度和韧性分别提高了29.57%、37.07%和132.71%；改性导爆管相容性依然良好，耐热性增加。

改性塑料导爆管；热收缩性；力学性能；微观结构；TG-DSC

导爆管是高分子材料经热挤压拉制而成，管内壁均匀地粘有混合炸药的塑料制品，在岩土爆破、拆除爆破、水下爆破及特种爆破的网路连接中被普遍应用[1-2]。近些年，普通塑料导爆管的强度低、耐热性差等弱点逐渐被发现，研究表明这些弱点都是其原料低密度聚乙烯(LDPE)的强度和刚度低，且耐热性差造成的[3]。高密度聚乙烯(HDPE)为LDPE常用改性剂[4]，Suryln树脂具有很强的抗化学药品性能、优异的熔融强度以及出色的抗磨损、刮擦性能等，常用于熔融共混法来改善其它材料的结晶性能及热稳定性等[5]，然而LDPE/HDPE/Surlyn共融混合物的研究国内外鲜有报道。

本文拟以80%的LDPE为基体，引入10%HDPE+ 10%Surlyn共混造粒，再拉制成改性塑料导爆管，研究其火工品性能、热收缩性、力学性能、微观形貌、及其它热性能的影响规律，并与普通塑料导爆管进行比较分析，为得到高性能的改性塑料导爆管提供必要的理论依据与参考数据。

1 实验

1.1 实验原料

低密度聚乙烯(LDPE)，1I2A-1，固体颗粒，密度0.92 g/cm3, 熔融指数(MFR)为 2.0g/10min，产自中国石化北京燕山分公司。沙林(Surlyn，Na+)，8940，固体颗粒，密度为0.95g/cm3，MFR为2.8g/10min，产自美国DuPont公司。高密度聚乙烯(HDPE)，IP-10，固体颗粒，密度为0.96 g/cm3，MFR为9.0g/10min，产自美国Dow Chemical公司。

1.2 试样制备

LDPE、HDPE和Surlyn分别在真空烘箱中于50℃干燥36h。试验时，称取2组总量均为15kg的纯LDPE和配比为LDPE∶HDPE∶Surlyn= 80∶10∶10的改性材料。改性材料预混后，用双螺杆挤出机（SHJ-20）进行熔融挤出和水冷造粒，各区温度分别为165℃、170℃、180℃、180℃、180℃和175℃，冷却水初温20℃。所得造粒料再次在真空烘箱中于50℃干燥36h后，和纯LDPE料依次由塑料挤出机（SJ45×20B）拉制成塑料导爆管，得到普通塑料导爆管和改性塑料导爆管。试验中，拉管时各区温度对应为160℃、170℃、165℃和165℃，拉管速率为38m/min，投药量16.0mg/m，冷却水初温20℃。

制备若干（3±0.1）m、（2±0.1）m、（1±0.1）m、（1± 0.001）m、（150±1）mm普通塑料导爆管与改性塑料导爆管试样，实验前需在（20±10）℃温度下放置15min以上。另取少量LDPE/HDPE=90/10已干燥粒料按上述方法造粒，与上述已造粒料分别在立式注塑机(FT-200，160~190℃)制成哑铃型标准样条(GB/T 1040.2-2006, 1A型)备用。

1.3 性能测试

导爆管爆速采用BC-IB型多功能爆速仪测试，（2± 0.1）m试样导爆管各10根，结果取平均值[6]。起爆感度测试采用8号工业雷管（GB/T 8031），每发雷管起爆20根（1±0.1）m试样，每种导爆管各测试10组，每组都全部起爆记为正常起爆。管内药粉中断正常传爆的最大距离用（3±0.1）m试样采用空管连接法测试[7]，每个梯度空管长度检测20根试样。试验时均用电火花起爆装置。

热收缩性测试在水浴锅中进行，温度范围50~90℃，升温梯度2℃/次，试样长度（1±0.001）m，每个温度梯度试样各5根，恒温30min，结果取平均值，按照文献[8]计算热收缩率。导爆管单向拉伸试验在万能电子试验机(WDW-50)上进行，试样长度（150±1）mm，试样两端用橡胶套处理，以便试验机模具固定，两模具之间长度为（100±1）mm，拉伸标准为GB/T 1040.1-2006，速率为50mm/min，结果各取5根试样的平均值。微观形貌用场发射扫描电镜(FESEM，JSM 7600F)进行观察，两种标准样条需经液氮冷冻25min后脆断获取平整断面试样，进行喷金处理。热性能测试用差示扫描量热仪(DSC，Q200，美国TA公司)和热重分析仪(TGA, Q500，美国TA公司)对LDPE、LDPE/HDPE/Surlyn分别进行测试，其中DSC为从室温升温至180℃，停留10min后，降至室温，而TGA则从室温升温至800℃。TGA和DSC均在N2气氛，流量为60mL/min条件下进行，升温速率均为10℃/min。

2 结果与分析

2.1 火工品性能

导爆管的管壁均无破孔、硬块、白点等杂质，管外表面无明显划痕、鳞纹等，管内无可见堵药、断药和水等杂质。在试验起爆过程中，导爆管均无不正常起爆、熄爆、击穿等现象，且爆后与爆前颜色变化明显。导爆管直径均在2.8~3.2mm之间，起爆和传爆性能如表1所示。

表1 导爆管起爆和传爆性能

Tab.1 Initiation and detonation transmission performance of detonating tube

通过试验，发现其改性塑料导爆管外观、传爆可靠性、记忆性与普通导爆管无明显差别。但是，对于相同条件下拉制的导爆管，改性导爆管的爆速有着3.18%的微小上升，传爆的药粉中断最大距离提高了10mm。药粉中断距离的增加可能是由于爆速的增加，爆速高即稳定爆轰时的爆轰波能量高，其爆轰波的衰减距离就会有所增加。

2.2 热收缩性

两种导爆管热收缩长度随温度的变化见图1。

图1 两种导爆管热收缩长度随温度的变化曲线

从图1中可以看出，两种导爆管刚开始收缩的温度均接近60℃，但普通型导爆管收缩比较明显。随着温度的升高，两种导爆管的收缩长度差越来越大，普通型导爆管在接近90℃时，收缩长度仍有随温度上升趋势，但改性导爆管在85℃的收缩长度便趋于稳定，随温度上升非常缓慢。可以看出，改性型导爆管的耐热性比普通型的要好。另外，从图1中得出，普通型导爆管收缩长度变化率最大值在75℃左右，而改性型导爆管收缩长度变化率最大值在80~85℃，在80℃普通型与改性型导爆管的热收缩率依次为2.90%、0.85%，导爆管热收缩性能提高了3.41倍，改性型导爆管耐热性明显较强。

2.3 力学性能

两种导爆管的力学性能如表2所示，可见LDPE/ HDPE/Surlyn改性型导爆管拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率都强于普通型导爆管（LDPE），其中拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率对应的性能分别为强度、刚度、韧性。结合表3 LDPE、HDPE和Surlyn的力学性能，可见HDPE具有高拉伸强度和弹性模量，有利于提高LDPE的强度与刚度，但不足之处，HDPE的断裂伸长率较低，引入HDPE会使LDPE的韧性降低，不利于导爆管的工程使用。而引入Surlyn的目的是增加改性体的断裂伸长率，使改性体增加强度的同时韧性也增加，以获得高性能改性体。总之，从力学性能上LDPE/ HDPE/Surlyn改性型导爆管的强度、刚度和韧性较普通型导爆管分别提高了29.57%、37.07%和132.71%，有效地降低了爆破施工中由于导爆管强度、刚度和韧性问题带来的使用危险。

表2 两种导爆管的力学性能

Tab.2 Mechanical properties of two kinds of detonating tubes

表3 LDPE、HDPE和Surlyn的力学性能

Tab.3 Mechanical properties of LDPE, HDPE and Surlyn

2.4 微观结构

图2是LDPE/HDPE、LDPE/HDPE/Surlyn共混物经液氮深冷脆断后的SEM图。

图2 共混物的微观结构

由图2（a）~2（b）可以看出断面平整，界面处无微粒及明显的拔丝现象，共混物断裂有较清晰的边缘，反映应力走向比较集中，引入10%HDPE后仍具有良好的界面相容性。再引入10% Surlyn，由图2（c）可以看出相容性依然良好，图2（d）可以明显地看出断面有“海-岛”现象[5]，Surlyn的微小粒子包络在连续的LDPE/HDPE基体中，但断面处并未出现孔洞现象，仍属于界面的解离。

2.5 熔融和结晶性

图3是改性导爆管和普通导爆管管壁材料的熔融和结晶曲线。

图3 导爆管管壁材料的DSC熔融和结晶曲线

从图3（a）可以看出，改性导爆管管壁材料有两个熔融峰，分别为114.81℃和127.52℃，而普通导爆管管壁材料只有1个熔融峰，为113.78℃。并且改性导爆管管壁材料的两个熔融峰相互接近，LDPE/ HDPE/Surlyn共混物呈部分相容，与SEM图现象相吻合。另外，改性导爆管管壁材料熔融曲线在50℃处略凹可能是共混物中Surlyn在46.4℃会发生多重离子或离子簇的解离[9])，改性导爆管管壁材料的熔融峰较普通导爆管管壁材料的熔融峰向右移动，熔融所需温度升高，很明显改性材料的耐热性增加。由图3（b）可见，改性材料结晶峰的温度升高，其耐热性较强。根据出现峰温度的升高还可以得到改性共混物的内部分子链增多[10]，再一次佐证了改性材料的耐热性较强。

2.6 热分解特性

两种导爆管管壁材料的TG和DTG的曲线图见图4。

图4 两种导爆管管壁材料的TG和DTG的曲线图

由图4可见，LDPE的热分解过程为一个连续的质量损失过程。从TG图可以看出，质量损失结束时（490~550℃）普通导爆管管壁材料LDPE与改性导爆管管壁材料LDPE/ HDPE/Surlyn的温度分别为492.58℃和517.38℃，后者比前者温度高24.8℃，证明了耐热性有所增加。从DTG图可得，普通导爆管管壁材料与改性导爆管管壁材料分解速率曲线峰值时的最大分解温度分别为470.32℃和470.80℃，结合改性导爆管管壁材料分解速率曲线向高温移动的趋势，可得出耐热性增强。另外，在改性导爆管管壁材料分解速率曲线峰值470.80℃左右，出现了467.09℃和474.58℃的肩峰，对应了引入物HDPE/Surlyn相的热分解，使LDPE/ HDPE/Surlyn共混体系的热分解过程呈现多重连续质量损失模式，提高了改性材料的热稳定性。显然，改性后耐热性有所增加。

3 结论

（1）以LDPE/HDPE/Surlyn共混物为管壁材料的改性导爆管的外观、传爆可靠性及记忆性与普通导爆管无较大差别，改性导爆管的爆速有着3.18%的微小上升，传爆的药粉中断最大距离提高了10mm。

（2）改性塑料导爆管比普通塑料导爆管的强度、刚度和韧性分别提高了29.57%、37.07%和132.71%；80℃时热收缩率由2.90%减少到0.85%，宏观上看，耐热性明显增强。

（3）微观SEM图表明改性导爆管管壁材料相容性依然良好。

（4）DSC及TG-DTG测试结果表明改性塑料导爆管的耐热性比普通塑料导爆管强，且LDPE/ HDPE/ Surlyn共混体系的热分解过程呈现多重连续质量损失模式。

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Preparation and Properties of High Strength and Low Density Polyethylene Plastic Detonating Tube

ZHANG Bin-bin1，LI Hong-wei1，YANG Ji-nian2，LEI Zhan1，YE Jia-ming1，GUI Ji-chang1

（1. College of Chemical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，232001；2. College of Material Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology, Huainan, 232001）

In order to improve the strength and toughness of low density polyethylene (LDPE) plastic detonating tube, high density polyethylene (HDPE) and Surlyn resin were blended to prepare high strength, toughness and low density polyethylene detonating tube, and the performance tests were carried out. The experimental results showed that, compared with LDPE, the detonation speed of modified plastic detonating tube is increased by 3.18% and the maximum distance of powder interruption is increased by 10mm, the heat shrinkage rate at 80℃is reduced to 0.85% from 2.90%. In terms of mechanical properties, the strength, stiffness and toughness of modified plastic detonating tube are improved by 29.57%, 37.07% and 132.71%, respectively. The compatibility of modified plastic detonating tube is still good, and the heat resistance is increased.

Modified plastic detonating tube；Heat shrinkage；Mechanical properties；Micro structure；TG-DSC

1003-1480（2018）06-0001-04

TJ45+7

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.001

2018-09-19

章彬彬(1993-)，男，硕士研究生，主要从事爆炸安全与导爆管管壁材料的研究。

安徽省教育厅科学研究重大项目(KJ2015ZD18)