MPEG對PE-HD/POM共混材料性能的影響

張攀，李又兵，2，李敬媛

MPEG對PE-HD/POM共混材料性能的影響

張攀1，李又兵1，2，李敬媛1

（1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 404100； 2.重慶市模具技術重點實驗室，重慶 400050）

為改善高密度聚乙烯（PE-HD）/聚甲醛（POM）體系的相容性，采用聚乙二醇單甲醚（MPEG）作為相容劑，研究MPEG對PE-HD/POM共混材料性能的影響。結果表明，MPEG的加入提高了PE-HD/POM共混材料的力學性能，實驗范圍內隨著MPEG用量的增加，共混材料的拉伸強度和沖擊強度均不斷提高；掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱及紅外光譜分析表明，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）是由乙烯單體為主要單體的熱塑性材料，主要分為線性低密度聚乙烯（PE-LLD）、低密度聚乙烯（PE-LD）和高密度聚乙烯（PE-HD），是應用廣泛的一類通用合成樹脂［1］。與其它材料相比，PE材料低的吸水率、良好的絕緣性、加工性和耐腐蝕性能及較高的性價比［2］使其具有強勁的競爭力，成為目前產量最大、用途最廣的通用合成樹脂，尤其是PE-HD的應用已越來越受到行業(yè)推廣。與PE-LD相比，PE-HD的硬度、拉伸強度及蠕變性均占優(yōu)勢，但是其低溫抗沖擊性能、抗應力開裂性能不好，并且PE材料屬于非極性聚合物，與其他種類材料的相容性較差，因此其功能性較差。通過物理或化學方法對PE材料進行改性處理，可以改善其性能，適應更多領域的使用［3］。

增強改性PE可分為化學改性和物理改性兩種方法?；瘜W增強改性方法又可分為交聯改性［4］、氯化改性［5］、氯磺化改性［6］。交聯改性過程中需要使用催化劑、引發(fā)劑、抗氧化劑，改性過程不易控制。與此同時，交聯改性得到的材料會失去熱塑性和溶解性，因此廢舊料的回收和降解存在很大問題，目前沒有較好的解決辦法［7］。氯化和氯磺化改性可以使PE的力學性能增強，并大幅度提高材料的化學穩(wěn)定性、耐候性、耐老化性，但通過光或氣體引發(fā)的改性方法過程不易控制，使用的溶劑毒性較大并對臭氧層有一定的破壞作用［8］。

物理增強改性一般分為填充改性、共混改性等。向PE中加入無機或有機粒子，可使塑料的性能有明顯改善。李力［9］研究了碳纖維對PE性能的影響。結果表明，與純PE相比，添加碳纖維的復合材料拉伸強度提升了18.4%，拉伸彈性模量增加了208.1%。并且復合材料的硬度得到了很大提升，疲勞壽命值也進一步提升。黃義仁等［10］研究了玻璃纖維對PE性能的影響。結果表明，玻璃纖維增強效果不僅和纖維與基材的相容性有關，也與玻璃纖維含量和分散取向有關［11］。宏觀纖維的添加無需考慮纖維的耐熱問題，可明顯改善PE的熱力學性能。但復合體系黏度增加，流動性能變差，難以加工成型，對設備的磨損較大，造成較高的加工成本，廢料回收困難。

聚甲醛（POM）是一種主鏈具有—CH2O—結構的乳白色不透明高結晶性聚合物，具有分子結構規(guī)整、結晶度高的特性，并且強度、剛度、耐沖擊性、抗蠕變性、耐疲勞性能優(yōu)良［12］，可以作為良好的有機剛性粒子，對PE進行增強改性。但POM與PE的相容性較差，直接共混時體系沖擊性能下降，需要加入相容劑進行改性。陳金耀等［13］研究了乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）對PE-LLD/POM體系摩擦性能的影響。結果表明，EAA使POM和PE-LLD的相容性有一定改善。相容性的改善降低了復合材料的摩擦系數和摩擦疤痕寬度，提升了復合材料的缺口沖擊強度。鄧文娟［14］分別選擇了乙烯-乙酸乙烯共聚物（EVAC）、丙烯酸酯共聚物（ACR）、EAA作為相容劑添加到PE-HD/POM體系中，對復合體系的相容性和力學性能進行研究對比。結果表明，添加不同相容劑后，復合材料的相容性均有提高。與另外兩種相容劑相比，EAA相容劑能更好地改善POM與PE-HD的相容性。但少量丙酸型相容劑的添加對復合材料相容性的改善效果不明顯，大量添加則會使復合材料產生層狀剝離，造成力學性能下降，同時對復合材料的使用壽命造成影響。

聚乙二醇單甲醚（MPEG）一般用于制造洗滌劑、乳化劑和分散劑，具有良好的水溶性、潤濕性、潤滑性、生理惰性、對人體無刺激、溫和，可以改變制品的黏度、吸濕性和組織結構，價格相對低廉，且MPEG的醚基能夠與POM的醛基發(fā)生反應，同時具有很好的乳化作用，筆者選擇MPEG作為PE-HD/POM共混體系的相容劑。

1　實驗部分

1.1原材料

PE-HD：5000s，熔體流動速率（MFR）=1 g/ 10 min，擠出級，中國石油蘭州石化公司；

POM：M90，MFR=9 g/10 min，注塑級，云天化集團有限責任公司；

MPEG：分子量2 200，分析純，海安石油化工廠。

1.2主要儀器及設備

雙螺桿擠出機：TSE-30A型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

注塑機：TTI-95G型，東華機械有限公司；

微機控制電子萬能試驗機：CMT6104型，美特斯工業(yè)系統（中國）有限公司；

懸臂梁沖擊試驗機：XJU-5.5型，承德市金建檢測儀器有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM）：VEGAⅡ型，捷克Tescan公司；

差示掃描量熱（DSC）儀：Q20型，美國TA儀器公司；

傅立葉變換紅外光譜（FTIR）儀：Nicolet iS10型，美國Thermal Electron公司。

1.3試樣制備

在前期研究的基礎上，固定PE-HD與POM的質量比為80/20，MPEG的含量分別為0.1%，0.3%，0.5%，0.7%。將所需原料計算并稱重后，先人工初步混合，然后添加到雙螺桿擠出機中熔融混煉擠出造粒。經干燥后于注塑機中注塑成所需樣條。

1.4性能測試

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

沖擊性能按GB/T 1843-1996測試，室溫；

SEM分析：操作電壓20 kV，真空，介質和環(huán)境溫度15～25℃；

FTIR分析：KBr壓片法，分辨率4 cm-1，掃描次數為64次，掃描范圍4 000～400 cm-1；

DSC分析：氬氣氣氛，流量為50 mL/min，先在40℃環(huán)境下穩(wěn)定2 min，以10℃/min升溫速率升溫到200℃，在200℃恒溫2 min，隨后以10℃/ min的速度降到40℃。

2　結果與討論

2.1力學性能分析

圖1 PE-HD/POM共混材料的拉伸強度變化趨勢

圖1示出MPEG含量對PE-HD/POM共混材料拉伸性能的影響。從圖1可以看出，PE-HD/POM二元共混材料的拉伸強度為24.31 MPa，隨著MPEG含量增加，共混材料的拉伸強度有所提高。當MPEG的添加量達到0.7%時，共混材料的拉伸強度達到最大值26.14 MPa，提升了7.5%。這可能是由于隨著相容劑用量的添加，共混材料的相容性得到改善。

圖2示出MPEG含量對PE-HD/POM共混材料沖擊性能的影響。從圖2可以看出，MPEG對共混材料的沖擊性能有較大的改善作用。當MPEG的添加量達到0.1%時，共混材料的沖擊強度提高到10.36 kJ/m2，與PE-HD/POM二元材料相比提高了78%，當MPEG的添加量達到0.7%時，共混材料的沖擊強度提高到16.17 kJ/m2，提高了178%。由此可見，隨著MPEG相容劑的添加，共混材料的相容性得到了一定改善，綜合力學性能得到了提升。

圖2　PE-HD/POM共混材料的沖擊強度變化趨勢

2.2SEM觀察

圖3是不同MPEG含量的PE-HD/POM共混材料斷面SEM照片，照片放大倍數為2 000倍。

對比圖3a和圖3b可以看到，MPEG的添加使共混材料中POM分散相的分散均勻程度得到了提升，POM微纖結構更加細小，更加均勻。與此同時，MPEG的添加使斷面上纖維被拉出形成的空洞減少，PE-HD與POM之間聯系更加緊湊，說明MPEG的添加可以改善PE-HD/POM共混材料的相容性。

對比圖3b，圖3c，圖3d，圖3e可以看到，隨著MPEG添加量增多，共混材料的分散相分散均勻程度得到了進一步的提高。與此同時，可以觀察到斷面上被拉出纖維的空洞進一步減少，剛性粒子POM以纖維狀和橢球狀較為均勻地分布在斷面上。還可以觀察到，PE-HD基體材料網絡狀結構清晰，放射狀花樣更加明顯，此時PE-HD材料基體形成的網絡狀結構包覆POM分散相材料。說明MPEG材料的添加量增多，PE-HD/POM共混材料的相容性得到進一步提升。同時，SEM形貌變化與PE-HD/ POM共混體系的力學性能變化趨于一致。

圖3　PE-HD/POM共混材料的脆斷面SEM圖片

2.3DSC分析

圖4為PE-HD/POM共混材料的一次升降溫DSC曲線。

由圖4可以看到，加入MPEG后，PE-HD/ POM中PE-HD的熔融開始溫度向高溫漂移。未添加相容劑時PE-HD的熔融開始溫度為124℃，當MPEG的添加量為0.5%時，熔融開始溫度達到125.9℃，提升了1.9℃。觀察熔融峰值的變化可以看到，未添加相容劑時PE-HD的熔融峰值為133.37℃，隨著相容劑MPEG的添加，熔融峰值逐漸增加，當MPEG的添加量為0.5%時，熔融峰值為136.21℃，比PE-HD/POM二元共混材料提升了2.84℃。說明相容劑MPEG的添加改善了PE-HD /POM共混體系的相容性，在注塑成型的條件下，使PE-HD結晶更為完善。

2.4FTIR分析

圖5為不同組分共混材料的FTIR曲線。從圖5可以看出，添加MPEG相容劑前后PE-HD/POM共混材料的FTIR曲線透過峰的位置相同。

圖4　PE-HD/POM共混材料的DSC曲線

圖5　PE-HD/POM共混材料材料的FTIR譜圖

對照聚合物的特征譜帶位置圖［15］，含有醛基聚合物的伸縮峰在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基體材料和添加了不同量MPEG相容劑的共混材料其官能團沒有發(fā)生變化，說明MPEG相容劑的添加與PE-HD/POM基體材料并沒有產生化學反應，其增容原理是通過物理乳化作用完成的。通過低分子量MPEG的加入，降低了PE-HD與POM的界面能，從而使PE-HD/POM相容性得到改善。

3　結論

（1）隨著MPEG的加入，共混材料的拉伸性能提升，當MPEG的添加量為0.7%時，共混材料的拉伸強度從24.31 MPa提升到26.0 MPa，提升了6.9%；沖擊強度從5.8 kJ/m2提升到16.17 kJ/ m2，提升了178%。

（2）通過SEM觀察斷面形貌發(fā)現，MPEG的加入可以改善共混材料的分散相分散均勻程度，改善共混材料的相容性。

（3）隨著MPEG的加入，共混材料中PE-HD的熔融峰向高溫漂移2.84℃。

（4） MPEG可以改善PE-HD/POM共混體系的相容性，但MPEG并未與共混體系發(fā)生化學反應，主要是以物理乳化作用降低界面能來進行增容的。

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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

聯系人：李又兵，博士，教授，主要研究方向為高分子材料加工

2016-03-17