高強(qiáng)韌低密度聚乙烯導(dǎo)爆管的制備及性能研究

章彬彬,李洪偉,楊繼年,雷 戰(zhàn),葉家明,桂繼昌

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高強(qiáng)韌低密度聚乙烯導(dǎo)爆管的制備及性能研究

章彬彬1,李洪偉1,楊繼年2,雷 戰(zhàn)1,葉家明1,桂繼昌1

（1.安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2. 安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南，232001）

為了提高低密度聚乙烯(LDPE)導(dǎo)爆管的強(qiáng)度和韌性，用高密度聚乙烯(HDPE)和Surlyn樹脂進(jìn)行共混改性，制備了高強(qiáng)韌低密度聚乙烯導(dǎo)爆管，并對改性前后兩種導(dǎo)爆管分別進(jìn)行了性能測試。實驗結(jié)果表明：改性導(dǎo)爆管的爆速提高了3.18%，藥粉中斷最大距離提高了10mm；80℃時熱收縮率由2.90%減少到0.85%；強(qiáng)度、剛度和韌性分別提高了29.57%、37.07%和132.71%；改性導(dǎo)爆管相容性依然良好，耐熱性增加。

改性塑料導(dǎo)爆管；熱收縮性；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)；TG-DSC

導(dǎo)爆管是高分子材料經(jīng)熱擠壓拉制而成，管內(nèi)壁均勻地粘有混合炸藥的塑料制品，在巖土爆破、拆除爆破、水下爆破及特種爆破的網(wǎng)路連接中被普遍應(yīng)用[1-2]。近些年，普通塑料導(dǎo)爆管的強(qiáng)度低、耐熱性差等弱點逐漸被發(fā)現(xiàn)，研究表明這些弱點都是其原料低密度聚乙烯(LDPE)的強(qiáng)度和剛度低，且耐熱性差造成的[3]。高密度聚乙烯(HDPE)為LDPE常用改性劑[4]，Suryln樹脂具有很強(qiáng)的抗化學(xué)藥品性能、優(yōu)異的熔融強(qiáng)度以及出色的抗磨損、刮擦性能等，常用于熔融共混法來改善其它材料的結(jié)晶性能及熱穩(wěn)定性等[5]，然而LDPE/HDPE/Surlyn共融混合物的研究國內(nèi)外鮮有報道。

本文擬以80%的LDPE為基體，引入10%HDPE+ 10%Surlyn共混造粒，再拉制成改性塑料導(dǎo)爆管，研究其火工品性能、熱收縮性、力學(xué)性能、微觀形貌、及其它熱性能的影響規(guī)律，并與普通塑料導(dǎo)爆管進(jìn)行比較分析，為得到高性能的改性塑料導(dǎo)爆管提供必要的理論依據(jù)與參考數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗原料

低密度聚乙烯(LDPE)，1I2A-1，固體顆粒，密度0.92 g/cm3, 熔融指數(shù)(MFR)為 2.0g/10min，產(chǎn)自中國石化北京燕山分公司。沙林(Surlyn，Na+)，8940，固體顆粒，密度為0.95g/cm3，MFR為2.8g/10min，產(chǎn)自美國DuPont公司。高密度聚乙烯(HDPE)，IP-10，固體顆粒，密度為0.96 g/cm3，MFR為9.0g/10min，產(chǎn)自美國Dow Chemical公司。

1.2 試樣制備

LDPE、HDPE和Surlyn分別在真空烘箱中于50℃干燥36h。試驗時，稱取2組總量均為15kg的純LDPE和配比為LDPE∶HDPE∶Surlyn= 80∶10∶10的改性材料。改性材料預(yù)混后，用雙螺桿擠出機(jī)（SHJ-20）進(jìn)行熔融擠出和水冷造粒，各區(qū)溫度分別為165℃、170℃、180℃、180℃、180℃和175℃，冷卻水初溫20℃。所得造粒料再次在真空烘箱中于50℃干燥36h后，和純LDPE料依次由塑料擠出機(jī)（SJ45×20B）拉制成塑料導(dǎo)爆管，得到普通塑料導(dǎo)爆管和改性塑料導(dǎo)爆管。試驗中，拉管時各區(qū)溫度對應(yīng)為160℃、170℃、165℃和165℃，拉管速率為38m/min，投藥量16.0mg/m，冷卻水初溫20℃。

制備若干（3±0.1）m、（2±0.1）m、（1±0.1）m、（1± 0.001）m、（150±1）mm普通塑料導(dǎo)爆管與改性塑料導(dǎo)爆管試樣，實驗前需在（20±10）℃溫度下放置15min以上。另取少量LDPE/HDPE=90/10已干燥粒料按上述方法造粒，與上述已造粒料分別在立式注塑機(jī)(FT-200，160~190℃)制成啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條(GB/T 1040.2-2006, 1A型)備用。

1.3 性能測試

導(dǎo)爆管爆速采用BC-IB型多功能爆速儀測試，（2± 0.1）m試樣導(dǎo)爆管各10根，結(jié)果取平均值[6]。起爆感度測試采用8號工業(yè)雷管（GB/T 8031），每發(fā)雷管起爆20根（1±0.1）m試樣，每種導(dǎo)爆管各測試10組，每組都全部起爆記為正常起爆。管內(nèi)藥粉中斷正常傳爆的最大距離用（3±0.1）m試樣采用空管連接法測試[7]，每個梯度空管長度檢測20根試樣。試驗時均用電火花起爆裝置。

熱收縮性測試在水浴鍋中進(jìn)行，溫度范圍50~90℃，升溫梯度2℃/次，試樣長度（1±0.001）m，每個溫度梯度試樣各5根，恒溫30min，結(jié)果取平均值，按照文獻(xiàn)[8]計算熱收縮率。導(dǎo)爆管單向拉伸試驗在萬能電子試驗機(jī)(WDW-50)上進(jìn)行，試樣長度（150±1）mm，試樣兩端用橡膠套處理，以便試驗機(jī)模具固定，兩模具之間長度為（100±1）mm，拉伸標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1040.1-2006，速率為50mm/min，結(jié)果各取5根試樣的平均值。微觀形貌用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM，JSM 7600F)進(jìn)行觀察，兩種標(biāo)準(zhǔn)樣條需經(jīng)液氮冷凍25min后脆斷獲取平整斷面試樣，進(jìn)行噴金處理。熱性能測試用差示掃描量熱儀(DSC，Q200，美國TA公司)和熱重分析儀(TGA, Q500，美國TA公司)對LDPE、LDPE/HDPE/Surlyn分別進(jìn)行測試，其中DSC為從室溫升溫至180℃，停留10min后，降至室溫，而TGA則從室溫升溫至800℃。TGA和DSC均在N2氣氛，流量為60mL/min條件下進(jìn)行，升溫速率均為10℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 火工品性能

導(dǎo)爆管的管壁均無破孔、硬塊、白點等雜質(zhì)，管外表面無明顯劃痕、鱗紋等，管內(nèi)無可見堵藥、斷藥和水等雜質(zhì)。在試驗起爆過程中，導(dǎo)爆管均無不正常起爆、熄爆、擊穿等現(xiàn)象，且爆后與爆前顏色變化明顯。導(dǎo)爆管直徑均在2.8~3.2mm之間，起爆和傳爆性能如表1所示。

表1 導(dǎo)爆管起爆和傳爆性能

Tab.1 Initiation and detonation transmission performance of detonating tube

通過試驗，發(fā)現(xiàn)其改性塑料導(dǎo)爆管外觀、傳爆可靠性、記憶性與普通導(dǎo)爆管無明顯差別。但是，對于相同條件下拉制的導(dǎo)爆管，改性導(dǎo)爆管的爆速有著3.18%的微小上升，傳爆的藥粉中斷最大距離提高了10mm。藥粉中斷距離的增加可能是由于爆速的增加，爆速高即穩(wěn)定爆轟時的爆轟波能量高，其爆轟波的衰減距離就會有所增加。

2.2 熱收縮性

兩種導(dǎo)爆管熱收縮長度隨溫度的變化見圖1。

圖1 兩種導(dǎo)爆管熱收縮長度隨溫度的變化曲線

從圖1中可以看出，兩種導(dǎo)爆管剛開始收縮的溫度均接近60℃，但普通型導(dǎo)爆管收縮比較明顯。隨著溫度的升高，兩種導(dǎo)爆管的收縮長度差越來越大，普通型導(dǎo)爆管在接近90℃時，收縮長度仍有隨溫度上升趨勢，但改性導(dǎo)爆管在85℃的收縮長度便趨于穩(wěn)定，隨溫度上升非常緩慢。可以看出，改性型導(dǎo)爆管的耐熱性比普通型的要好。另外，從圖1中得出，普通型導(dǎo)爆管收縮長度變化率最大值在75℃左右，而改性型導(dǎo)爆管收縮長度變化率最大值在80~85℃，在80℃普通型與改性型導(dǎo)爆管的熱收縮率依次為2.90%、0.85%，導(dǎo)爆管熱收縮性能提高了3.41倍，改性型導(dǎo)爆管耐熱性明顯較強(qiáng)。

2.3 力學(xué)性能

兩種導(dǎo)爆管的力學(xué)性能如表2所示，可見LDPE/ HDPE/Surlyn改性型導(dǎo)爆管拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率都強(qiáng)于普通型導(dǎo)爆管（LDPE），其中拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率對應(yīng)的性能分別為強(qiáng)度、剛度、韌性。結(jié)合表3 LDPE、HDPE和Surlyn的力學(xué)性能，可見HDPE具有高拉伸強(qiáng)度和彈性模量，有利于提高LDPE的強(qiáng)度與剛度，但不足之處，HDPE的斷裂伸長率較低，引入HDPE會使LDPE的韌性降低，不利于導(dǎo)爆管的工程使用。而引入Surlyn的目的是增加改性體的斷裂伸長率，使改性體增加強(qiáng)度的同時韌性也增加，以獲得高性能改性體?？傊?，從力學(xué)性能上LDPE/ HDPE/Surlyn改性型導(dǎo)爆管的強(qiáng)度、剛度和韌性較普通型導(dǎo)爆管分別提高了29.57%、37.07%和132.71%，有效地降低了爆破施工中由于導(dǎo)爆管強(qiáng)度、剛度和韌性問題帶來的使用危險。

表2 兩種導(dǎo)爆管的力學(xué)性能

Tab.2 Mechanical properties of two kinds of detonating tubes

表3 LDPE、HDPE和Surlyn的力學(xué)性能

Tab.3 Mechanical properties of LDPE, HDPE and Surlyn

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

圖2是LDPE/HDPE、LDPE/HDPE/Surlyn共混物經(jīng)液氮深冷脆斷后的SEM圖。

圖2 共混物的微觀結(jié)構(gòu)

由圖2（a）~2（b）可以看出斷面平整，界面處無微粒及明顯的拔絲現(xiàn)象，共混物斷裂有較清晰的邊緣，反映應(yīng)力走向比較集中，引入10%HDPE后仍具有良好的界面相容性。再引入10% Surlyn，由圖2（c）可以看出相容性依然良好，圖2（d）可以明顯地看出斷面有“海-島”現(xiàn)象[5]，Surlyn的微小粒子包絡(luò)在連續(xù)的LDPE/HDPE基體中，但斷面處并未出現(xiàn)孔洞現(xiàn)象，仍屬于界面的解離。

2.5 熔融和結(jié)晶性

圖3是改性導(dǎo)爆管和普通導(dǎo)爆管管壁材料的熔融和結(jié)晶曲線。

圖3 導(dǎo)爆管管壁材料的DSC熔融和結(jié)晶曲線

從圖3（a）可以看出，改性導(dǎo)爆管管壁材料有兩個熔融峰，分別為114.81℃和127.52℃，而普通導(dǎo)爆管管壁材料只有1個熔融峰，為113.78℃。并且改性導(dǎo)爆管管壁材料的兩個熔融峰相互接近，LDPE/ HDPE/Surlyn共混物呈部分相容，與SEM圖現(xiàn)象相吻合。另外，改性導(dǎo)爆管管壁材料熔融曲線在50℃處略凹可能是共混物中Surlyn在46.4℃會發(fā)生多重離子或離子簇的解離[9])，改性導(dǎo)爆管管壁材料的熔融峰較普通導(dǎo)爆管管壁材料的熔融峰向右移動，熔融所需溫度升高，很明顯改性材料的耐熱性增加。由圖3（b）可見，改性材料結(jié)晶峰的溫度升高，其耐熱性較強(qiáng)。根據(jù)出現(xiàn)峰溫度的升高還可以得到改性共混物的內(nèi)部分子鏈增多[10]，再一次佐證了改性材料的耐熱性較強(qiáng)。

2.6 熱分解特性

兩種導(dǎo)爆管管壁材料的TG和DTG的曲線圖見圖4。

圖4 兩種導(dǎo)爆管管壁材料的TG和DTG的曲線圖

由圖4可見，LDPE的熱分解過程為一個連續(xù)的質(zhì)量損失過程。從TG圖可以看出，質(zhì)量損失結(jié)束時（490~550℃）普通導(dǎo)爆管管壁材料LDPE與改性導(dǎo)爆管管壁材料LDPE/ HDPE/Surlyn的溫度分別為492.58℃和517.38℃，后者比前者溫度高24.8℃，證明了耐熱性有所增加。從DTG圖可得，普通導(dǎo)爆管管壁材料與改性導(dǎo)爆管管壁材料分解速率曲線峰值時的最大分解溫度分別為470.32℃和470.80℃，結(jié)合改性導(dǎo)爆管管壁材料分解速率曲線向高溫移動的趨勢，可得出耐熱性增強(qiáng)。另外，在改性導(dǎo)爆管管壁材料分解速率曲線峰值470.80℃左右，出現(xiàn)了467.09℃和474.58℃的肩峰，對應(yīng)了引入物HDPE/Surlyn相的熱分解，使LDPE/ HDPE/Surlyn共混體系的熱分解過程呈現(xiàn)多重連續(xù)質(zhì)量損失模式，提高了改性材料的熱穩(wěn)定性。顯然，改性后耐熱性有所增加。

3 結(jié)論

（1）以LDPE/HDPE/Surlyn共混物為管壁材料的改性導(dǎo)爆管的外觀、傳爆可靠性及記憶性與普通導(dǎo)爆管無較大差別，改性導(dǎo)爆管的爆速有著3.18%的微小上升，傳爆的藥粉中斷最大距離提高了10mm。

（2）改性塑料導(dǎo)爆管比普通塑料導(dǎo)爆管的強(qiáng)度、剛度和韌性分別提高了29.57%、37.07%和132.71%；80℃時熱收縮率由2.90%減少到0.85%，宏觀上看，耐熱性明顯增強(qiáng)。

（3）微觀SEM圖表明改性導(dǎo)爆管管壁材料相容性依然良好。

（4）DSC及TG-DTG測試結(jié)果表明改性塑料導(dǎo)爆管的耐熱性比普通塑料導(dǎo)爆管強(qiáng)，且LDPE/ HDPE/ Surlyn共混體系的熱分解過程呈現(xiàn)多重連續(xù)質(zhì)量損失模式。

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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，碩士研究生，主要從事爆炸安全與導(dǎo)爆管管壁材料的研究。

安徽省教育廳科學(xué)研究重大項目(KJ2015ZD18)