郭 斌，吳守軍，朱德蘭

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

我國(guó)目前已成為全球滴灌應(yīng)用面積最大的國(guó)家[1]。目前我國(guó)最廣泛使用的一次性單翼迷宮式滴灌帶，主要由HDPE、LDPE、LLDPE混合后；并加入少量炭黑混合而成。由于滴灌帶位于農(nóng)田表層，受光照、氣候影響，老化較快，使得滴灌帶的壽命較短，不僅造成了人力上的浪費(fèi)，更換管帶所產(chǎn)生的成本費(fèi)用，也間接造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。目前，已有將廢棄滴灌帶回收作為原料添加制造的再生滴灌帶，但再生滴灌帶質(zhì)量遠(yuǎn)不及新品，不能滿足農(nóng)戶需要[2-4]，故農(nóng)戶回收滴灌帶的積極性較低。以其他PE塑料回收再生料制造的制品同樣也存在力學(xué)性能及質(zhì)量穩(wěn)定性下降的情況，使得回收再利用的范圍降低。

研究表明全新PE混合材料制備的滴灌帶經(jīng)過11個(gè)月的田間灌溉前后的拉伸應(yīng)力----應(yīng)變曲線有著相近的應(yīng)力峰值，類似的線型變形和拉伸應(yīng)變行為，拉伸強(qiáng)度和延伸率有所降低；但隨著灌溉時(shí)間的增加，斷后的自然回彈率明顯下降。由此可見，PE材料老化以后其性能下降，若直接作為原材料進(jìn)行再生使用，新品會(huì)延續(xù)原材料老化以后的低劣性能。因此，為了提高再生滴灌帶的力學(xué)性能和使用壽命，需要改善廢舊原材料的彈性，強(qiáng)度，抗開裂等性能。

已有很多關(guān)于提高全新聚乙烯材料性能的改性工作，如：M Faker通過共混改性將PE與EVA共混以研究它們的流變和力學(xué)性能[5]，H A Khonakdar等人研究了PE/EVA共混物的力學(xué)性能與熱性能[6]，這些研究表明：PE/EVA共混可以賦予PE更優(yōu)良的柔韌性、加工性，較好的透氣性和印刷性等優(yōu)點(diǎn)[7-9]；而通過加入過氧化物交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生的交聯(lián)聚乙烯可以提高聚乙烯的物理力學(xué)強(qiáng)度，并顯著改善其耐環(huán)境應(yīng)力開裂性[10-13]，如：T Yamazaki等人的以DCP作為交聯(lián)劑，交聯(lián)反應(yīng)后的聚乙烯的力學(xué)性能均有很大提高[14]；H C Kuan等人以DCP作為引發(fā)劑，針對(duì)LLDPE、LDPE、HDPE中的一種進(jìn)行的交聯(lián)反應(yīng)，結(jié)果同樣顯示交聯(lián)后的PE的力學(xué)性能得到提高[15]；A J Zattera 等人研究了針對(duì)廢舊PE日用品的以加入EVA與DCP共混改性的研究，發(fā)現(xiàn)EVA與DCP可以降低廢舊PE的結(jié)晶度而使原材料得到軟化，即提高了再生PE材料的彈性[16]。但目前國(guó)內(nèi)外研究中被改性對(duì)象多為全新材質(zhì)的HDPE、LDPE、LLDPE或他們與廢舊料混合料，沒有對(duì)全部由3種混合料的廢舊料改性研究。研究EVA和過氧化物對(duì)由HDPE、LDPE、LLDPE混合物的廢棄料性能的影響，對(duì)于廢棄PE料的再生利用具有直接的應(yīng)用指導(dǎo)作用和顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保價(jià)值。

本文通過試驗(yàn)研究了摻入不同比例EVA與DCP對(duì)廢舊PE滴灌帶再生材料力學(xué)性能的影響，得到了能夠綜合改善廢舊PE滴灌帶再生材料力學(xué)性能的兩者含量。

1 材料與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

以楊凌秦川節(jié)水灌溉設(shè)備工程有限公司生產(chǎn)的全新單翼迷宮滴灌帶，在經(jīng)寧夏固原農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站使用1 a后，粉碎造粒料作為廢舊PE材料。EVA使用的是韓國(guó)三星生產(chǎn)的牌號(hào)ZE280L的注塑級(jí)工程塑料，VA含量27.8%，熔融指數(shù)1.7 g/min。DCP為上海滬試實(shí)驗(yàn)室器材股份有限公司生產(chǎn)的化學(xué)純DCP。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

廢舊PE原料在添加改性劑后攪拌均勻，經(jīng)注塑機(jī)成形并經(jīng)啞鈴制樣機(jī)做出試樣。單因素EVA的實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試EVA含量所占原始廢料的0%～20%，以2%為一個(gè)間隔；單因素DCP的實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試DCP含量為0%～1.2%，以0.2%為一個(gè)間隔；在EVA與DCP共混實(shí)驗(yàn)中EVA共設(shè)置4個(gè)不同含量：0%、6%、8%、10%；分別與DCP設(shè)置的4個(gè)含量：0%、0.2%、0.4%、1%交互進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn)。試樣標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)流程遵從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《塑料拉伸性能試驗(yàn)方法GB/T1040-92》；其中，試樣尺寸為Ⅱ型試樣，標(biāo)距為30 mm，拉伸速度選為20 mm/min。每個(gè)處理重復(fù)5次，各指標(biāo)取平均值。

有3個(gè)主要的樣品測(cè)試指標(biāo)：斷裂伸長(zhǎng)率；斷后自然回彈率；拉伸強(qiáng)度。其中：

斷裂伸長(zhǎng)率：

(1)

自然回彈率：

(2)

式中：εt為斷裂伸長(zhǎng)率；εr為自然回彈率；G為標(biāo)距段最大拉伸長(zhǎng)長(zhǎng)度；Gr卸載后自然恢復(fù)后標(biāo)距段長(zhǎng)度；G0為標(biāo)距段原始長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 EVA含量對(duì)再生料力學(xué)性能的影響

圖1為單獨(dú)加入EVA時(shí)對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響變化圖。由圖1可以看出，體現(xiàn)出PE彈性性能的斷裂伸長(zhǎng)率和斷后自然回彈率均先隨著EVA的增加而增加，在EVA含量為10%的時(shí)達(dá)到峰值，隨后，隨著EVA的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但斷裂伸長(zhǎng)率的隨EVA含量的增加變化更為明顯。而拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)亦是先增后減，同樣在EVA含量為10%時(shí)達(dá)到最大值。拉伸強(qiáng)度在EVA含量15%時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)，之后又有了提高的趨勢(shì)。綜合3條曲線可以得出，EVA對(duì)PE回收再生料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)和斷后自然回彈率在一定范圍內(nèi)有著改善提高到的作用，單因素下EVA含量為10%時(shí)綜合改善效果最好。

圖1 EVA對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響Fig.1 The effect of EVA on mechanical properties of renewable PE materials

2.2 DCP含量對(duì)再生料力學(xué)性能的影響

圖2為單獨(dú)加入DCP時(shí)對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響變化圖。由圖2可以看出再生料的斷裂伸長(zhǎng)率和自然回彈率均隨著DCP含量的增加而降低，在DCP超過0.2%以后急劇降低，在0.8%以后逐漸平穩(wěn)，僅在DCP接近1%時(shí)小幅度上升，且斷裂伸長(zhǎng)率在小劑量DCP時(shí)的下降速度比自然回彈率更大。而拉伸強(qiáng)度則先隨著DCP的增加而增加，在DCP 0.6%、0.8%時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨著DCP含量的增加而降低。當(dāng)DCP含量為0.6%或0.8%時(shí)樣品的強(qiáng)度較高，但彈性較低。總體來看，少量DCP對(duì)強(qiáng)度有著較好的提高，但會(huì)嚴(yán)重降低斷裂伸長(zhǎng)率與自然回彈率。

圖2 DCP對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響Fig.2 The effect of DCP on mechanical properties of renewable PE materials

2.3 EVA與DCP組合對(duì)回收再生料力學(xué)性能的影響

圖3為不同比例的EVA與DCP混合料對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響變化圖。由全新PE材料100%virgin組與未添加改性劑的回收料0%E+0%D+w-PE組的對(duì)比可以看出，聚乙烯材料在經(jīng)過室外使用老化后的性能下降十分明顯。在不同的改性劑配比中，PE 試樣的斷裂伸長(zhǎng)率與斷后自然回彈率受DCP影響較大，在EVA含量一定的情況下均在DCP含量為0.4%時(shí)達(dá)到最大值，同時(shí)試樣的強(qiáng)度也隨著DCP含量的增長(zhǎng)而下降。在各改性組中，各項(xiàng)指標(biāo)均在6%E+0.4%D+w-PE組達(dá)到最大值。其中，斷裂伸長(zhǎng)率與斷后自然回彈率相對(duì)于原始廢料0%E+0%D+w-PE組略有提高或變化不大，而拉伸強(qiáng)度則有較大的提升。故EVA與DCP配比為6%+0.4%時(shí)，對(duì)廢舊PE材料的改良工作較好。

圖3 EVA與DCP混合料對(duì)PE回收再生料力學(xué)性能的影響Fig.3 The effect of EVA blend with DCP on mechanical properties of renewable PE materials

2.4 典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的對(duì)比

圖4為幾條典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的對(duì)比圖?？梢钥闯觯紡U料組的強(qiáng)度較低，但伸長(zhǎng)量較大。這同樣說明DCP對(duì)彈性的影響較大，少量的加入也會(huì)影響樣品的彈性。在曲線的對(duì)比中，改性組之間的拉伸強(qiáng)度差異不大；在伸長(zhǎng)量上：原始廢料組>6%EVA+0.4%DCP組>8%EVA+0.4%DCP組>10%EVA+0.4%DCP組。且經(jīng)過改性后的各組曲線形狀與原始廢料組有所不同，脆斷更加明顯?？梢钥闯觯?%EVA+0.4%DCP組的強(qiáng)度最高，且其伸長(zhǎng)量減小量不大，故該組配方最優(yōu)良。

圖4 典型拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的對(duì)比Fig.4 Contrast of typical stress-strain curve

3 結(jié) 語

(1)乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)可以有效提高再生PE材料的彈性性能，單因素下改性再生料的斷裂伸長(zhǎng)率、自然回彈率以及拉伸強(qiáng)度均先隨著EVA含量的增大而增大，在EVA含量8%或10%時(shí)達(dá)到最大，隨后隨著EVA含量增加而降低。

(2)過氧化二丙苯(DCP)則可以提高拉伸強(qiáng)度。適量的DCP可以有效地提高改性再生料的斷裂強(qiáng)度，但會(huì)降低其彈性性能。而當(dāng)DCP含量較高時(shí)，會(huì)降低樣品的彈性性能。0.6%或0.8%的DCP可使改性再生料的強(qiáng)度達(dá)到最大，但對(duì)彈性影響較大；0.4%的DCP則可大幅改善強(qiáng)度且對(duì)彈性性能影響較小。

(3)將EVA與DCP混合后改性再生料的力學(xué)性能變化與單因素下的變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)改性劑為6%EVA+0.4%DCP時(shí)，可以同時(shí)有效綜合改善改性再生料的強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)和彈性。

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