低密度聚乙烯共混改性聚苯乙烯的研究

郝妙琴

(中检评价技术有限公司，陕西 西安 710065)

PS因为具有良好的刚性、透明度俱佳、绝缘性好、加工性能好、比较容易成型和价格低廉等优良的性能，在精密仪表、建筑材料、产品外包装、电子产品、化妆品以及儿童玩具等行业已得到广泛应用。但PS由于低温时较脆，加热易变形，受力容易开裂，冲击强度也不高等缺点使它的应用范围也大大缩小[16]。和PS的性能刚好相反,LDPE冲击强度高，韧性很好，同时低温时性能依然很好，但它的刚性较差[17]。根据共混理论具有良好韧性和抗冲击性能的LDPE，通过熔融共混 ,有利于改善PS比较脆的性能缺点，并最终得到一种集两种树脂的优良性能为一体同时又能弥补它们各自缺点的新型材料。本课题就拟用LDPE对PS进行共混改性，通过试验分析得出PS/LDPE共混物力学性能最佳时的LDPE的质量分数。

1 实验部分

1.1 实验原料与设备

1.1.1 实验原料

实验中的主要原料见表1。

表1 实验原料与实验试剂

1.1.2 实验设备

实验中的主要设备及仪器见表2。

表2 主要实验仪器

1.2 制备试验样条

1.2.1 PS/LDPE共混物颗粒的制备

1.2.1.1 样品的称取

如表3所示用电子天平按比例准确称取PS和LDPE颗粒，总重1 000 g，共6份，其中LDPE的质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%。将称好的颗粒置于预先备好的桶中先人工进行预混合。

表3 PS/LDPE共混挤出配料表

1.2.1.2 熔融造粒

如表4所示双螺杆挤出机熔融挤出工艺条件为：料筒温度：加料段140～160℃，压缩段：160～230℃，均化段 ：220～240℃ ；口模温度 ：170～200℃ ；螺杆转速: 10～20 r/min。先按表2～4中的PS/LDPE的熔融挤出工艺条件设定好双螺杆挤出机的工作参数，待双螺杆挤出机达到工作温度，将桶中预混合好的PS和LDPE颗粒倒入料斗中进行挤出造粒，机头中喷出的熔融共混物用剪刀引入水槽，经冷却后，再穿过干燥机吹干水分，最后送入切粒机中切成颗粒，用桶收集造好颗粒，得到PS/LDPE的共混物颗粒。6份试样依次加入到料斗中，操作方法相同，但在加入不同组分的原料时，一定要事先清理干净双螺杆挤出机的料筒，以免影响各组分的纯度。最后得到6份LDPE质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE的共混物颗粒，用袋子分别装好备用。

表4 PS/LDPE共混物的熔融挤出工艺条件

1.2.2 PS/LDPE共混物试验样条的注塑

如表5所示将双螺杆挤出机造出的PS/LDPE的共混颗粒用注塑机注塑，先按表2～5中的PS/LDPE的注塑工艺表设定注塑机的工作参数，等到注塑机温度达到注塑要求，将事先准备好的PS/LDPE共混颗粒加入到注塑机的料斗中，调节注塑机操作界面，使注塑机进入手动模式4，然后再储料键进行储料，储完料之后，设置注塑机进入半自动模式，检查好注塑机安全门有没有关好，关好安全门之后，按开始按钮，开始自动进行注塑，等到注塑机自动开模后，打开安全门，手戴工作手套取出注塑好的试验样条，在做完一种比列的样条时，一定要退模，挤出注塑机螺杆里的原料，并清理干净，然后再进模，继续做下一组分的样条，以免影响下一个组分的纯度，依次加完所有组分的原料，最后得到LDPE质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混试验样条，每组五个样条。制得的试验样条如图1所示。

图1 不同含量的共混物的拉伸强度折线图

表5 PS/LDPE共混物的注塑基本工艺表

2 结果与讨论

2.1 不同含量的PS/LDPE共混物的拉伸试验结果

如表6所示为试样1即LDPE质量分数为100%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表6 试样1的拉伸强度

如表7所示为试样2即LDPE质量分数为80%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表7 试样2的拉伸强度

如表8所示为试样3即LDPE质量分数为60%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表8 试样3的拉伸强度

如表9所示为试样4即LDPE质量分数为40%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表9 试样4的拉伸强度

如表10所示为试样5即LDPE质量分数为20%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表10 试样5的拉伸强度

如表11所示为试样6即LDPE质量分数为0%的PS/LDPE共混物的拉伸强度和断裂伸长率。

表11 试样6的拉伸强度

2.1.1 LDPE质量分数的不同对PS/LDPE共混物拉伸强度的影响

如表12所示LDPE质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的拉伸强度。

表12 不同含量的PS/LDPE共混物的拉伸强度

从图1中可以看出在LDPE质量分数为80%时共混物的拉伸强度最大，为16.28 MPa，相对于PS的拉伸强度提高了4.5%，对于LDPE的拉伸强度提高了32.3%。在LDPE质量分数为20%时共混物的拉伸强度最小，为11.25 MPa，比PS的拉伸强度降低了27.8%，比LDPE降低了8.6%。以上现象基本可以用塑料的形变机理来解释，塑料材料的大尺度形变一般包含银纹化和剪切形变两种过程。据猜测样条在受到拉伸应力的作用时，可能发生剪切屈服，在样条被拉伸的整个过程中，施加于样条的拉伸应力会分解出剪切力分量，剪切力的最大值与正拉伸应力应成45°，并在45°的斜面上发生剪切形变。样条在发生剪切形变时，可以观察到样条局部的剪切屈服形变带，就是剪切带。剪切带的形成过程中可以消耗掉一部分外部作用于试样的能量，因此对试样样条的拉伸应力变大，即样条的拉伸强度变大。由于LDPE与PS是的互相不能相溶的体系，简单的熔融共混不能使它们完美混合。所以LDPE和PS的共混是分散混合的方式，可能形成了“海-岛结构”的两相体系。在LDPE质量分数为20%时，LDPE的颗粒粒径小，表面张力小，拉伸时产生的剪切力小，形成的剪切带只能消耗少部分外界能量，因此共混物的拉伸强度小。相反，当LDPE质量分数为80%时，拉伸时形成的剪切带消耗了大部分外界能量，因此共混物的拉伸强度大。

2.1.2 LDPE质量分数的不同对PS/LDPE共混物断裂伸长率的影响

如表13所示LDPE质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的断裂伸长率。

表13 不同含量的PS/LDPE共混物的断裂伸长率

从图2中可以看出在LDPE质量分数为40%时共混物的断裂伸长率最大，为44.0%，相对于PS的断裂伸长率提高了7.6%。在LDPE质量分数为60%时共混物的断裂伸长率最小，为7.3%，比PS的断裂伸长率降低了82.2%。以上现象基本可以用塑料的银纹化过程来解释，银纹是塑料在受到应力作用时产生的，在银纹内部，聚合物颗粒受到拉伸后形成“细丝”和“空洞”，银纹的方向与外加拉伸应力的方向垂直。在样条发生银纹化时，银纹区域内的大分子产生很大的塑性形变，形成的“细丝”使外力作用于材料的能量的被消耗掉，延缓试样的断裂。当银纹发展到一定程度后，发展成破坏性裂纹，导致材料破坏。根据银纹-剪切带理论，银纹和剪切带之间可以相互作用,即银纹尖端的应力场可以诱发剪切带的产生，而剪切带也可以阻止银纹的进一步发展。在LDPE质量分数为40%时，可能由于共混物基体内部结构的不均一性，造成应力集中，诱发大量银纹和剪切带，银纹和剪切带相互作用，银纹使“海-岛结构”两相体系共混物中的聚合物颗粒被无限拉长，而剪切带又控制银纹的发展，使银纹及时终止，不致于发展成破裂性裂纹，所以此时共混物断裂伸长率最大。在LDPE质量分数为60%时，可能造成应力集中，从而引发银纹，但由于产生的剪切带很少，银纹不能及时终止，很快发展成破裂性裂纹，导致试样断裂，因此共混物的断裂伸长率很小。单组份的LDPE由于结构不均一和缺陷，也可能是外部几何尺寸上的缺陷，造成应力集中，也能引发大量银纹和剪切带，而且LDPE本身性能就很韧。所以它的断裂伸长率很大，是共混物断裂伸长率最大时的12.8倍。

图2 不同含量的共混物的断裂伸长率折线图

2.2 不同含量的PS/LDPE共混物的冲击试验结果和讨论

如表14所示为试样1即LDPE质量分数为100%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表14 试样1的冲击强度

如表15所示为试样2即LDPE质量分数为80%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表15 试样2的冲击强度

如表16所示为试样3即LDPE质量分数为60%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表16 试样3的冲击强度

如表17所示为试样4即LDPE质量分数为40%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表17 试样4的冲击强度

如表18所示为试样5即LDPE质量分数为20%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表18 试样5的冲击强度

如表19所示为试样6即LDPE质量分数为0%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表19 试样6的冲击强度

如表20所示LDPE质量分数分别为100%，80%，60%，40%，20%，0%的PS/LDPE共混物的冲击强度。

表20 不同含量的PS/LDPE共混物的冲击强度

从图3可以看出在LDPE质量分数为80%和20%时，共混物的冲击强度最大，为6.88 kJ/m2，相对于PS的冲击强度降低了15.4%。在LDPE质量分数为60%时，共混物的冲击强度最小，为2.81 kJ/m2，相对于PS的冲击强度降低了65.4%。可以看出在PS中加入了LDPE共混改性之后共混物的冲击强度都降低了，效果不是很理想。以上现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论来解释。当试样样条受到摆锤冲击发生断裂时，可以看到样条冲击断口的两侧会明显出现发白的现象。该白化区域会随着样条裂口的扩大而发展扩大。在这个白化区域内存在着“空化空间”，这种空化空间可以以两相界面脱离的形式存在。银纹也会产生空洞，但银纹中的空洞产生于塑料基体内部，而“界面空洞”产生于样条基体的相界面之间。界面空洞化可以阻止基体内部裂纹的产生，同时使基体变形时所受的约束减小，使之易于发生强迫高弹性变，界面空洞化以及随之产生的强迫高弹形变吸收了大量能量，使样条的冲击强度提高。LDPE和PS的共混物属于“海-岛结构”的两相体系共混物，相界面主要存在聚合物颗粒和连续相之间。产生界面空洞化较少，只能吸收少部分外界能量，所以共混物的冲击强度相比于PS的冲击强度都降低了。

图3 不同含量的共混物的冲击强度折线图

3 结论

通过对共混物的拉伸力学实验和冲击力学实验分析后得出在PS中加入LDPE后，共混物的冲击强度没有得到提高，反而有所下降，但它的拉伸强度和断裂伸长率分别得到了提高。综合来看，在LDPE质量分数为60%时，共混物的性能最差，拉伸强度相对于PS下降了14.1%，断裂伸长率和冲击强度下降更多，分别只有PS的17.8%和34.6%。在LDPE质量分数为80%时，共混物的性能最好，拉伸强度达到最大，相对于PS的拉伸强度提高了4.5%，同时断裂伸长率和冲击强度也不低，分别达到了PS的91.7%和84.6%。其性能达到了实际应用的水平，有一定的实用价值。有望进行工业化生产。