郝妙琴

(中檢評(píng)價(jià)技術(shù)有限公司，陜西 西安 710065)

PS因?yàn)榫哂辛己玫膭傂浴⑼该鞫染慵?、絕緣性好、加工性能好、比較容易成型和價(jià)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(shí)較脆，加熱易變形，受力容易開裂，沖擊強(qiáng)度也不高等缺點(diǎn)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(qiáng)度高，韌性很好，同時(shí)低溫時(shí)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(guò)熔融共混 ,有利于改善PS比較脆的性能缺點(diǎn)，并最終得到一種集兩種樹脂的優(yōu)良性能為一體同時(shí)又能彌補(bǔ)它們各自缺點(diǎn)的新型材料。本課題就擬用LDPE對(duì)PS進(jìn)行共混改性，通過(guò)試驗(yàn)分析得出PS/LDPE共混物力學(xué)性能最佳時(shí)的LDPE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中的主要原料見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)原料與實(shí)驗(yàn)試劑

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中的主要設(shè)備及儀器見表2。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 制備試驗(yàn)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(zhǔn)確稱取PS和LDPE顆粒，總重1 000 g，共6份，其中LDPE的質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(jī)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(jī)的工作參數(shù)，待雙螺桿擠出機(jī)達(dá)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(jìn)行擠出造粒，機(jī)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(guò)干燥機(jī)吹干水分，最后送入切粒機(jī)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(shí)，一定要事先清理干凈雙螺桿擠出機(jī)的料筒，以免影響各組分的純度。最后得到6份LDPE質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)樣條的注塑

如表5所示將雙螺桿擠出機(jī)造出的PS/LDPE的共混顆粒用注塑機(jī)注塑，先按表2～5中的PS/LDPE的注塑工藝表設(shè)定注塑機(jī)的工作參數(shù)，等到注塑機(jī)溫度達(dá)到注塑要求，將事先準(zhǔn)備好的PS/LDPE共混顆粒加入到注塑機(jī)的料斗中，調(diào)節(jié)注塑機(jī)操作界面，使注塑機(jī)進(jìn)入手動(dòng)模式4，然后再儲(chǔ)料鍵進(jìn)行儲(chǔ)料，儲(chǔ)完料之后，設(shè)置注塑機(jī)進(jìn)入半自動(dòng)模式，檢查好注塑機(jī)安全門有沒(méi)有關(guān)好，關(guān)好安全門之后，按開始按鈕，開始自動(dòng)進(jìn)行注塑，等到注塑機(jī)自動(dòng)開模后，打開安全門，手戴工作手套取出注塑好的試驗(yàn)樣條，在做完一種比列的樣條時(shí)，一定要退模，擠出注塑機(jī)螺桿里的原料，并清理干凈，然后再進(jìn)模，繼續(xù)做下一組分的樣條，以免影響下一個(gè)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?jǐn)?shù)分別為100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混試驗(yàn)樣條，每組五個(gè)樣條。制得的試驗(yàn)樣條如圖1所示。

圖1 不同含量的共混物的拉伸強(qiáng)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(yàn)結(jié)果

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

表6 試樣1的拉伸強(qiáng)度

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

表7 試樣2的拉伸強(qiáng)度

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

表8 試樣3的拉伸強(qiáng)度

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

表9 試樣4的拉伸強(qiáng)度

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

表10 試樣5的拉伸強(qiáng)度

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

表11 試樣6的拉伸強(qiáng)度

2.1.1 LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)PS/LDPE共混物拉伸強(qiáng)度的影響

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

表12 不同含量的PS/LDPE共混物的拉伸強(qiáng)度

從圖1中可以看出在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)共混物的拉伸強(qiáng)度最大，為16.28 MPa，相對(duì)于PS的拉伸強(qiáng)度提高了4.5%，對(duì)于LDPE的拉伸強(qiáng)度提高了32.3%。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)共混物的拉伸強(qiáng)度最小，為11.25 MPa，比PS的拉伸強(qiáng)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(jī)理來(lái)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(guò)程。據(jù)猜測(cè)樣條在受到拉伸應(yīng)力的作用時(shí)，可能發(fā)生剪切屈服，在樣條被拉伸的整個(gè)過(guò)程中，施加于樣條的拉伸應(yīng)力會(huì)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(shí)，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(guò)程中可以消耗掉一部分外部作用于試樣的能量，因此對(duì)試樣樣條的拉伸應(yīng)力變大，即樣條的拉伸強(qiáng)度變大。由于LDPE與PS是的互相不能相溶的體系，簡(jiǎn)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?jǐn)?shù)為20%時(shí)，LDPE的顆粒粒徑小，表面張力小，拉伸時(shí)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(qiáng)度小。相反，當(dāng)LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，拉伸時(shí)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(qiáng)度大。

2.1.2 LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同對(duì)PS/LDPE共混物斷裂伸長(zhǎng)率的影響

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

表13 不同含量的PS/LDPE共混物的斷裂伸長(zhǎng)率

從圖2中可以看出在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)共混物的斷裂伸長(zhǎng)率最大，為44.0%，相對(duì)于PS的斷裂伸長(zhǎng)率提高了7.6%。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)共混物的斷裂伸長(zhǎng)率最小，為7.3%，比PS的斷裂伸長(zhǎng)率降低了82.2%。以上現(xiàn)象基本可以用塑料的銀紋化過(guò)程來(lái)解釋，銀紋是塑料在受到應(yīng)力作用時(shí)產(chǎn)生的，在銀紋內(nèi)部，聚合物顆粒受到拉伸后形成“細(xì)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(shí)，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(xì)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(chǎng)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(jìn)一步發(fā)展。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，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(wú)限拉長(zhǎng)，而剪切帶又控制銀紋的發(fā)展，使銀紋及時(shí)終止，不致于發(fā)展成破裂性裂紋，所以此時(shí)共混物斷裂伸長(zhǎng)率最大。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)率很大，是共混物斷裂伸長(zhǎng)率最大時(shí)的12.8倍。

圖2 不同含量的共混物的斷裂伸長(zhǎng)率折線圖

2.2 不同含量的PS/LDPE共混物的沖擊試驗(yàn)結(jié)果和討論

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

表14 試樣1的沖擊強(qiáng)度

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

表15 試樣2的沖擊強(qiáng)度

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

表16 試樣3的沖擊強(qiáng)度

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

表17 試樣4的沖擊強(qiáng)度

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

表18 試樣5的沖擊強(qiáng)度

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

表19 試樣6的沖擊強(qiáng)度

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

表20 不同含量的PS/LDPE共混物的沖擊強(qiáng)度

從圖3可以看出在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%和20%時(shí)，共混物的沖擊強(qiáng)度最大，為6.88 kJ/m2，相對(duì)于PS的沖擊強(qiáng)度降低了15.4%。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，共混物的沖擊強(qiáng)度最小，為2.81 kJ/m2，相對(duì)于PS的沖擊強(qiáng)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(qiáng)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(lái)解釋。當(dāng)試樣樣條受到擺錘沖擊發(fā)生斷裂時(shí)，可以看到樣條沖擊斷口的兩側(cè)會(huì)明顯出現(xiàn)發(fā)白的現(xiàn)象。該白化區(qū)域會(huì)隨著樣條裂口的擴(kuò)大而發(fā)展擴(kuò)大。在這個(gè)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(huì)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(shí)使基體變形時(shí)所受的約束減小，使之易于發(fā)生強(qiáng)迫高彈性變，界面空洞化以及隨之產(chǎn)生的強(qiáng)迫高彈形變吸收了大量能量，使樣條的沖擊強(qiáng)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(qiáng)度相比于PS的沖擊強(qiáng)度都降低了。

圖3 不同含量的共混物的沖擊強(qiáng)度折線圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)共混物的拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)和沖擊力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析后得出在PS中加入LDPE后，共混物的沖擊強(qiáng)度沒(méi)有得到提高，反而有所下降，但它的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別得到了提高。綜合來(lái)看，在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，共混物的性能最差，拉伸強(qiáng)度相對(duì)于PS下降了14.1%，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度下降更多，分別只有PS的17.8%和34.6%。在LDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，共混物的性能最好，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，相對(duì)于PS的拉伸強(qiáng)度提高了4.5%，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊強(qiáng)度也不低，分別達(dá)到了PS的91.7%和84.6%。其性能達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的水平，有一定的實(shí)用價(jià)值。有望進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。