廢棄XLPE增強HDPE的力學和摩擦性能研究*

陸 露 高 宇 郭川東 梁偉忠 向定漢

(1.桂林國際電線電纜集團有限責任公司 廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學材料科學與工程學院 廣西桂林 541004)

交聯聚乙烯(XLPE)由于其三維網絡，綜合性能較好，在各個領域具有廣泛應用，尤其是在電線電纜行業(yè)。據不完全統(tǒng)計，一家中型的電線電纜生產企業(yè)每年要產生數百噸的廢棄XLPE。XLPE屬于熱固性材料，受熱不熔，并難溶于溶劑，因此回收利用對資源再生和環(huán)境保護都有一定的價值[1-7]。謝大榮等[8]將XLPE與LDPE共混，并用AC發(fā)泡劑進行發(fā)泡，制得的復合材料的性能良好。ZHANG等[9]采用固相剪切碾磨粉碎法回收XLPE,將XLPE回收料與橡膠輪胎共混并擠出，所得復合材料力學性能良好。酈華興等[10]通過熱降解和機械降解得到了XLPE回收料，將回收料與HDPE、EVA等助劑共混，得到的復合材料性能良好，具有顯著的經濟效益和社會效益。但以上研究均未提及復合材料的實際應用，且未進行材料的摩擦磨損研究。本文作者從經濟性和實用性考慮，選擇粉碎原料進行部分解交聯，并制成XLPE/HDPE復合材料。該復合材料可用于生產排污管，而排污管內常年有沖蝕磨損，故研究復合材料力學性能、摩擦性能的影響尤為重要。

1 實驗部分

1.1 原材料與儀器設備

廢棄交聯聚乙烯，桂林國際電線電纜集團有限責任公司提供；高密度聚乙烯(HDPE)，DGDB-2480 NT,陶氏化學公司生產；丙酮，分析純，衡陽市凱信化工試劑有限公司生產。

電熱恒溫鼓風干燥箱，型號為DHG-9123A，上海齊欣科學儀器有限公司生產；原泰奇氣引式粉碎機，祐麒機械有限公司生產；電子天平，型號為FB224，上海舜宇恒平科學儀器有限公司生產；轉矩流變儀，型號為XSTTR-300，上海新碩精密機械有限公司生產；微型注射機，型號為SZ-15，武漢市瑞鳴塑料機械制造公司生產；擺錘沖擊試驗機，型號為ZBC-l25l-l,深圳市新三思材料檢測有限公司生產；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，型號為Quanta FEG 450，美國FEI公司生產；電子萬能試驗機，型號為SPL-10 KN，日本島津公司生產；多功能摩擦磨損試驗機，型號為MM-W1B,濟南時代試金試驗機有限公司生產。

1.2 試樣的制備

廢棄XLPE電纜原料表面用丙酮清洗干凈，將電熱恒溫鼓風干燥箱設置到110 ℃，將整根廢棄電纜料放入加熱，5 min左右拿出，趁熱用美工刀切成5 mm3左右的塊體，用粉碎機粉碎成100～200 μm3大小的顆粒。顆粒微觀形貌如圖1所示。

圖1 回收XLPE粒料微觀SEM圖Fig 1 SEM images of recycled XLPE granules

將轉矩流變儀1—3區(qū)升溫到180 ℃，轉速為30 r/min，將XLPE按不同質量分數與HDPE混合后放入流變儀內混煉(如表1所示)，得到XLPE/HDPE復合材料，再用微型注塑機將復合材料加工成型，注塑模具溫度為90 ℃。

表1 XLPE/HDPE復合材料組成及編號Table 1 Numbers and composition of XLPE/HDPE composite materials

1.3 性能測試

拉伸性能：按照GB/T 1040.2—2006使用電子萬能試驗機按照1BA型試樣測試其拉伸強度和斷裂拉伸應變，其中試樣總長度為78 mm,厚度為2 mm,標距為25 mm，分5組測試，取平均值。其中拉伸速率為10 mm/min。

缺口沖擊性能：按 GB/T 1043—93在擺錘沖擊試驗機上進行。

摩擦磨損性能測試：按照GB 3960—83在MM-W1B多功能摩擦磨損試驗機上進行，采用銷-盤式摩擦副，摩擦對偶件為45鋼，摩擦試樣采用3個高12 mm，直徑4.7 mm的柱狀體。實驗條件為載荷200 N，轉速200 r/min，實驗時間2 h，摩擦因數由計算機采集和記錄，比磨損率可由公式(1)計算出。每次實驗前都用砂紙打磨對磨件，再用丙酮溶液清洗對磨件和樣品。晾干后完成對樣品的稱量，稱量3次，取平均數。

(1)

式中:Ws為比磨損率(mm3/(N·m));m0為摩擦前試樣質量(mg)；m1為摩擦后試樣質量(mg)；r為摩擦半徑(m)；n為轉數；FN為試驗力(N)；ρ為密度(mg/mm3)。

將拉伸、沖擊斷面及磨損后的表面用丙酮清洗后噴金，用掃描電鏡對試樣表面形貌進行微觀分析。

2 結果與討論

2.1 XLPE/HDPE復合材料拉伸性能分析

圖2示出了XLPE/HDPE復合材料的拉伸強度、斷裂標稱應變、斷裂伸長率隨XLPE含量變化的曲線，可以看出XLPE含量的增加對拉伸強度的影響不大，而斷裂標稱應變呈現先上升后下降的趨勢，斷裂伸長率有微弱的下降，其中HDPE/XLPE添加量最高的6#試件(質量分數10%)對比純HDPE斷裂標稱應變下降了約36%，斷裂伸長率下降了約33.3%。二者最終呈下降的趨勢可能是因為交聯聚乙烯的結構是三維網狀，經過高溫粉碎和流變儀流變也只能將其裂解，與線性的HDPE分子結構不同，廢棄交聯聚乙烯只達到了部分解交聯，與HDPE線性分子的結合受到了影響，導致了拉伸性能的輕微降低。下降趨勢不太大的原因在于XLPE解交聯時發(fā)生斷裂的位置在化學鍵結合較弱的地方，這樣分解后的基團再經過反復的循環(huán)力作用，三維網絡進一步打破，降低了交聯度，有助于和HDPE分子的二次結合。

圖2 HDPE/XLPE的拉伸強度、斷裂標稱應變(a)及斷裂伸長率(b)變化曲線Fig 2 Curves of tensile strength,nominal fracture strain (a) andelongation at break (b) of HDPE/XLPE composites

圖3為純HDPE與部分復合材料的拉伸斷口形貌SEM圖，可以看出部分拉伸斷面較為均勻，說明在拉伸斷裂過程中出現了塑性變形，由圖3(c)可以看出有一些絲狀結構，且有些不均勻，說明此處發(fā)生了韌性斷裂。

圖3 XLPE/HDPE復合材料拉伸斷面SEM圖Fig 3 SEM images of tensile sections of XLPE/HDPE composite materials (a) HDPE;(b) HDPE+2%XLPE;(c) HDPE+4%XLPE;(d) HDPE+10%XLPE

2.2 XLPE/HDPE復合材料沖擊性能分析

圖4示出了復合材料缺口沖擊強度隨XLPE質量分數的變化曲線，可以得出缺口沖擊強度的變化趨勢為先增加后減少，在4#試樣(6%XLPE/HDPE)中達到頂峰，達到30.9 kJ/m2,比純HDPE(24.6 kJ/m2)提高了25.6%。

圖5所示為各個配方復合材料的缺口沖擊斷面形貌，可以看出共混物斷面呈現微孔狀，說明復合材料斷裂受力后有著較大的塑性變形，為韌性斷裂。從圖5(b)中可以看到有部分不均勻的拉絲形貌，這是牽伸體，擁有更為致密的結構，當斷裂的裂紋碰到XLPE粒子時，擴展發(fā)生停止，這說明填料物質為基體提供了應力集中體，阻礙了擴展，提高了復合材料的缺口抗沖擊強度[11]。圖5(c)、(d)中，從斷面基本看不到XLPE粒子的痕跡，這說明隨著XLPE添加量的增加，晶體粒徑逐漸減小，說明回收XLPE可以細化晶粒，從而提高制品的沖擊強度。圖5(e)、(f)中，由于XLPE添加量過多，導致復合材料相容性變差，從而降低了缺口沖擊強度。

圖 4 復合材料缺口沖擊強度隨XLPE質量分數的變化曲線Fig 4 The change curve of notched impact strength ofcomposite material with XLPE mass fraction

圖5 XLPE/HDPE復合材料沖擊斷面SEM圖Fig 5 SEM images of impact cross-section of XLPE/HDPE composite materials (a)HDPE;(b)HDPE+2%XLPE;(c)HDPE+4%XLPE;(d)HDPE+6%XLPE;(e)HDPE+8%XLPE;(f)HDPE+10%XLPE

2.3 XLPE/HDPE復合材料摩擦磨損性能分析

圖6給出了復合材料摩擦磨損性能隨XLPE質量分數的變化曲線?？梢钥闯觯S著XLPE的增加，復合材料摩擦因數呈現先減小后增大的趨勢，分別為0.169、0.148、0.163、0.170、0.175、0.200。當XLPE質量分數為10%時，復合材料摩擦因數比純HDPE增加了19%，這是因為隨著實驗的進行，對摩面上會逐漸形成一層轉移膜，而XLPE硬度較高，容易嵌入HDPE的試樣基體內，在形成轉移膜的過程中，若XLPE粒子含量適當且分散較為均勻時，當其受到剪切作用，較高的表面能能夠使轉移膜附著得更為順利[12]；轉移膜的形成使得聚合物和對摩件的摩擦變?yōu)榫酆衔锖途酆衔镏g的摩擦，這使得摩擦因數能夠在XLPE一定添加量內降低。當XLPE添加量太多時，由于XLPE導致分散不均勻，基體結構不夠連續(xù)，增加了對偶面的接觸面積，導致摩擦因數增大。

另外，從圖6中還可看出，廢棄XLPE的加入使得復合材料的比磨損率先增加再減少再增加， XLPE質量分數為6%時，比磨損率為1.513×10-6mm3/(N·m),相較于純HDPE降低了10.10%。這說明XLPE質量分數為6%的復合材料在所有配方中耐磨性較好。究其原因，純HDPE抗剪切能力不足，抗犁溝效應較差[13]；XLPE由于其具有三維網絡結構，硬度較大，在復合材料中起到增強作用，增強了材料的抗犁切能力，提高了復合材料的耐磨性。

圖6 復合材料摩擦因數和比磨損率隨XLPE質量分數變化曲線Fig 6 The friction coefficient and specific wear rate curvesof composite materials with XLPE mass fraction

圖7所示為復合材料試樣磨損表面的噴金SEM圖，其中HDPE的磨損表面能夠看出材料撕裂的痕跡，這些材料粘附在對磨面上，形成轉移膜，還有一些形成磨損屑，從這說明純HDPE由于材料較軟，會粘附在對磨件表面，主要為黏著磨損。

從圖7(b)—(e)可以看到，2%～8%XLPE增強復合材料的黏著磨損現象減弱，但能看到磨痕中有一些粒子，因為XLPE的三維結構作為剛性支撐點會帶來輕微的磨粒磨損現象[14]，但塑料較軟，可以包容一些異物，因此，復合材料表層變成了粒子增強型或彌散增強型，耐磨性有相當的提高，故這個階段的配方，比磨損率較小[15]。但塑料的包容能力有限，從圖7(f)可以看出，10%XLPE增強復合材料磨損表面很明顯能看到團聚，加速了磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生，增加了比磨損率。但總體來看，適量XLPE的加入對復合材料的耐磨性及摩擦因數影響不大。

圖7 XLPE/HDPE復合材料表面摩擦磨損SEM圖Fig 7 SEM images of friction and wear of XLPE/HDPE composite materials (a)HDPE;(b)HDPE+2%XLPE;(c)HDPE+4%XLPE;(d)HDPE+6%XLPE;(e)HDPE+8%XLPE;(f)HDPE+10%XLPE

3 結論

(1)利用廢棄XLPE增強HDPE，隨著XLPE質量分數的增加，拉伸強度有輕微降低的趨勢，缺口沖擊強度先增加后減少，摩擦因數先減少后增加，比磨損率先增加后減小再增加。

(2)適量的XLPE在沖擊過程中為HDPE基體提供應力集中作用，可以提高材料的缺口沖擊性能。

(3)少量廢棄XLPE的添加對復合材料的摩擦性能影響不大，主要表現為磨粒磨損，若廢棄XLPE添加量過多時，會表現為疲勞磨損。