郝妙琴

(中檢評價技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065)

PS因為具有良好的剛性、透明度俱佳、絕緣性好、加工性能好、比較容易成型和價格低廉等優(yōu)良的性能，在精密儀表、建筑材料、產(chǎn)品外包裝、電子產(chǎn)品、化妝品以及兒童玩具等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。但PS由于低溫時較脆，加熱易變形，受力容易開裂，沖擊強度也不高等缺點使它的應(yīng)用范圍也大大縮小[16]。和PS的性能剛好相反,LDPE沖擊強度高，韌性很好，同時低溫時性能依然很好，但它的剛性較差[17]。根據(jù)共混理論具有良好韌性和抗沖擊性能的LDPE，通過熔融共混 ,有利于改善PS比較脆的性能缺點，并最終得到一種集兩種樹脂的優(yōu)良性能為一體同時又能彌補它們各自缺點的新型材料。本課題就擬用LDPE對PS進行共混改性，通過試驗分析得出PS/LDPE共混物力學(xué)性能最佳時的LDPE的質(zhì)量分數(shù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與設(shè)備

1.1.1 實驗原料

實驗中的主要原料見表1。

表1 實驗原料與實驗試劑

1.1.2 實驗設(shè)備

實驗中的主要設(shè)備及儀器見表2。

表2 主要實驗儀器

1.2 制備試驗樣條

1.2.1 PS/LDPE共混物顆粒的制備

1.2.1.1 樣品的稱取

如表3所示用電子天平按比例準確稱取PS和LDPE顆粒，總重1 000 g，共6份，其中LDPE的質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%。將稱好的顆粒置于預(yù)先備好的桶中先人工進行預(yù)混合。

表3 PS/LDPE共混擠出配料表

1.2.1.2 熔融造粒

如表4所示雙螺桿擠出機熔融擠出工藝條件為：料筒溫度：加料段140～160℃，壓縮段：160～230℃，均化段 ：220～240℃ ；口模溫度 ：170～200℃ ；螺桿轉(zhuǎn)速: 10～20 r/min。先按表2～4中的PS/LDPE的熔融擠出工藝條件設(shè)定好雙螺桿擠出機的工作參數(shù)，待雙螺桿擠出機達到工作溫度，將桶中預(yù)混合好的PS和LDPE顆粒倒入料斗中進行擠出造粒，機頭中噴出的熔融共混物用剪刀引入水槽，經(jīng)冷卻后，再穿過干燥機吹干水分，最后送入切粒機中切成顆粒，用桶收集造好顆粒，得到PS/LDPE的共混物顆粒。6份試樣依次加入到料斗中，操作方法相同，但在加入不同組分的原料時，一定要事先清理干凈雙螺桿擠出機的料筒，以免影響各組分的純度。最后得到6份LDPE質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE的共混物顆粒，用袋子分別裝好備用。

表4 PS/LDPE共混物的熔融擠出工藝條件

1.2.2 PS/LDPE共混物試驗樣條的注塑

如表5所示將雙螺桿擠出機造出的PS/LDPE的共混顆粒用注塑機注塑，先按表2～5中的PS/LDPE的注塑工藝表設(shè)定注塑機的工作參數(shù)，等到注塑機溫度達到注塑要求，將事先準備好的PS/LDPE共混顆粒加入到注塑機的料斗中，調(diào)節(jié)注塑機操作界面，使注塑機進入手動模式4，然后再儲料鍵進行儲料，儲完料之后，設(shè)置注塑機進入半自動模式，檢查好注塑機安全門有沒有關(guān)好，關(guān)好安全門之后，按開始按鈕，開始自動進行注塑，等到注塑機自動開模后，打開安全門，手戴工作手套取出注塑好的試驗樣條，在做完一種比列的樣條時，一定要退模，擠出注塑機螺桿里的原料，并清理干凈，然后再進模，繼續(xù)做下一組分的樣條，以免影響下一個組分的純度，依次加完所有組分的原料，最后得到LDPE質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混試驗樣條，每組五個樣條。制得的試驗樣條如圖1所示。

圖1 不同含量的共混物的拉伸強度折線圖

表5 PS/LDPE共混物的注塑基本工藝表

2 結(jié)果與討論

2.1 不同含量的PS/LDPE共混物的拉伸試驗結(jié)果

如表6所示為試樣1即LDPE質(zhì)量分數(shù)為100%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表6 試樣1的拉伸強度

如表7所示為試樣2即LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表7 試樣2的拉伸強度

如表8所示為試樣3即LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表8 試樣3的拉伸強度

如表9所示為試樣4即LDPE質(zhì)量分數(shù)為40%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表9 試樣4的拉伸強度

如表10所示為試樣5即LDPE質(zhì)量分數(shù)為20%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表10 試樣5的拉伸強度

如表11所示為試樣6即LDPE質(zhì)量分數(shù)為0%的PS/LDPE共混物的拉伸強度和斷裂伸長率。

表11 試樣6的拉伸強度

2.1.1 LDPE質(zhì)量分數(shù)的不同對PS/LDPE共混物拉伸強度的影響

如表12所示LDPE質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的拉伸強度。

表12 不同含量的PS/LDPE共混物的拉伸強度

從圖1中可以看出在LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%時共混物的拉伸強度最大，為16.28 MPa，相對于PS的拉伸強度提高了4.5%，對于LDPE的拉伸強度提高了32.3%。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為20%時共混物的拉伸強度最小，為11.25 MPa，比PS的拉伸強度降低了27.8%，比LDPE降低了8.6%。以上現(xiàn)象基本可以用塑料的形變機理來解釋，塑料材料的大尺度形變一般包含銀紋化和剪切形變兩種過程。據(jù)猜測樣條在受到拉伸應(yīng)力的作用時，可能發(fā)生剪切屈服，在樣條被拉伸的整個過程中，施加于樣條的拉伸應(yīng)力會分解出剪切力分量，剪切力的最大值與正拉伸應(yīng)力應(yīng)成45°，并在45°的斜面上發(fā)生剪切形變。樣條在發(fā)生剪切形變時，可以觀察到樣條局部的剪切屈服形變帶，就是剪切帶。剪切帶的形成過程中可以消耗掉一部分外部作用于試樣的能量，因此對試樣樣條的拉伸應(yīng)力變大，即樣條的拉伸強度變大。由于LDPE與PS是的互相不能相溶的體系，簡單的熔融共混不能使它們完美混合。所以LDPE和PS的共混是分散混合的方式，可能形成了“海-島結(jié)構(gòu)”的兩相體系。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為20%時，LDPE的顆粒粒徑小，表面張力小，拉伸時產(chǎn)生的剪切力小，形成的剪切帶只能消耗少部分外界能量，因此共混物的拉伸強度小。相反，當(dāng)LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%時，拉伸時形成的剪切帶消耗了大部分外界能量，因此共混物的拉伸強度大。

2.1.2 LDPE質(zhì)量分數(shù)的不同對PS/LDPE共混物斷裂伸長率的影響

如表13所示LDPE質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的斷裂伸長率。

表13 不同含量的PS/LDPE共混物的斷裂伸長率

從圖2中可以看出在LDPE質(zhì)量分數(shù)為40%時共混物的斷裂伸長率最大，為44.0%，相對于PS的斷裂伸長率提高了7.6%。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%時共混物的斷裂伸長率最小，為7.3%，比PS的斷裂伸長率降低了82.2%。以上現(xiàn)象基本可以用塑料的銀紋化過程來解釋，銀紋是塑料在受到應(yīng)力作用時產(chǎn)生的，在銀紋內(nèi)部，聚合物顆粒受到拉伸后形成“細絲”和“空洞”，銀紋的方向與外加拉伸應(yīng)力的方向垂直。在樣條發(fā)生銀紋化時，銀紋區(qū)域內(nèi)的大分子產(chǎn)生很大的塑性形變，形成的“細絲”使外力作用于材料的能量的被消耗掉，延緩試樣的斷裂。當(dāng)銀紋發(fā)展到一定程度后，發(fā)展成破壞性裂紋，導(dǎo)致材料破壞。根據(jù)銀紋-剪切帶理論，銀紋和剪切帶之間可以相互作用,即銀紋尖端的應(yīng)力場可以誘發(fā)剪切帶的產(chǎn)生，而剪切帶也可以阻止銀紋的進一步發(fā)展。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為40%時，可能由于共混物基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均一性，造成應(yīng)力集中，誘發(fā)大量銀紋和剪切帶，銀紋和剪切帶相互作用，銀紋使“海-島結(jié)構(gòu)”兩相體系共混物中的聚合物顆粒被無限拉長，而剪切帶又控制銀紋的發(fā)展，使銀紋及時終止，不致于發(fā)展成破裂性裂紋，所以此時共混物斷裂伸長率最大。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%時，可能造成應(yīng)力集中，從而引發(fā)銀紋，但由于產(chǎn)生的剪切帶很少，銀紋不能及時終止，很快發(fā)展成破裂性裂紋，導(dǎo)致試樣斷裂，因此共混物的斷裂伸長率很小。單組份的LDPE由于結(jié)構(gòu)不均一和缺陷，也可能是外部幾何尺寸上的缺陷，造成應(yīng)力集中，也能引發(fā)大量銀紋和剪切帶，而且LDPE本身性能就很韌。所以它的斷裂伸長率很大，是共混物斷裂伸長率最大時的12.8倍。

圖2 不同含量的共混物的斷裂伸長率折線圖

2.2 不同含量的PS/LDPE共混物的沖擊試驗結(jié)果和討論

如表14所示為試樣1即LDPE質(zhì)量分數(shù)為100%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表14 試樣1的沖擊強度

如表15所示為試樣2即LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表15 試樣2的沖擊強度

如表16所示為試樣3即LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表16 試樣3的沖擊強度

如表17所示為試樣4即LDPE質(zhì)量分數(shù)為40%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表17 試樣4的沖擊強度

如表18所示為試樣5即LDPE質(zhì)量分數(shù)為20%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表18 試樣5的沖擊強度

如表19所示為試樣6即LDPE質(zhì)量分數(shù)為0%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表19 試樣6的沖擊強度

如表20所示LDPE質(zhì)量分數(shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的沖擊強度。

表20 不同含量的PS/LDPE共混物的沖擊強度

從圖3可以看出在LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%和20%時，共混物的沖擊強度最大，為6.88 kJ/m2，相對于PS的沖擊強度降低了15.4%。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%時，共混物的沖擊強度最小，為2.81 kJ/m2，相對于PS的沖擊強度降低了65.4%?？梢钥闯鲈赑S中加入了LDPE共混改性之后共混物的沖擊強度都降低了，效果不是很理想。以上現(xiàn)象可能是由于界面空洞化引起的，所以可以用界面空洞化理論來解釋。當(dāng)試樣樣條受到擺錘沖擊發(fā)生斷裂時，可以看到樣條沖擊斷口的兩側(cè)會明顯出現(xiàn)發(fā)白的現(xiàn)象。該白化區(qū)域會隨著樣條裂口的擴大而發(fā)展擴大。在這個白化區(qū)域內(nèi)存在著“空化空間”，這種空化空間可以以兩相界面脫離的形式存在。銀紋也會產(chǎn)生空洞，但銀紋中的空洞產(chǎn)生于塑料基體內(nèi)部，而“界面空洞”產(chǎn)生于樣條基體的相界面之間。界面空洞化可以阻止基體內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，同時使基體變形時所受的約束減小，使之易于發(fā)生強迫高彈性變，界面空洞化以及隨之產(chǎn)生的強迫高彈形變吸收了大量能量，使樣條的沖擊強度提高。LDPE和PS的共混物屬于“海-島結(jié)構(gòu)”的兩相體系共混物，相界面主要存在聚合物顆粒和連續(xù)相之間。產(chǎn)生界面空洞化較少，只能吸收少部分外界能量，所以共混物的沖擊強度相比于PS的沖擊強度都降低了。

圖3 不同含量的共混物的沖擊強度折線圖

3 結(jié)論

通過對共混物的拉伸力學(xué)實驗和沖擊力學(xué)實驗分析后得出在PS中加入LDPE后，共混物的沖擊強度沒有得到提高，反而有所下降，但它的拉伸強度和斷裂伸長率分別得到了提高。綜合來看，在LDPE質(zhì)量分數(shù)為60%時，共混物的性能最差，拉伸強度相對于PS下降了14.1%，斷裂伸長率和沖擊強度下降更多，分別只有PS的17.8%和34.6%。在LDPE質(zhì)量分數(shù)為80%時，共混物的性能最好，拉伸強度達到最大，相對于PS的拉伸強度提高了4.5%，同時斷裂伸長率和沖擊強度也不低，分別達到了PS的91.7%和84.6%。其性能達到了實際應(yīng)用的水平，有一定的實用價值。有望進行工業(yè)化生產(chǎn)。