轉速及溫度對PE－HD／PP／SGF管材分子取向的影響

袁 毅，徐紹虎，崔 爽，申開智

（1．重慶工商大學機械工程學院，廢油資源化技術與裝備教育部工程研究中心，重慶400067；2．四川大學高分子科學與工程學院，高分子材料工程國家重點實驗室，四川 成都610065）

0 前言

玻璃纖維增強聚合物材料可大幅度提高材料的強度、模量等性能。但纖維及聚合物大分子沿著流動方向取向，因此在增強成型某些特定類型塑料制品時存在著不足［1］，如其增強塑料管材時就對管材的周向強度改善不明顯，難于滿足塑料管材的使用要求。為解決此類問題，可采用形態控制成型技術來誘導控制纖維及大分子的取向分布而實現管材周向性能的改善。由于聚合物熔體受外加應力時，其大分子將通過順外加應力場方向排列所形成的中心而實現初級成核作用，即線性成核作用，使得大分子因變形伸直而生成原纖，該原纖繼續生長就形成沿外加應力場方向的球晶，并且在一定條件下球晶可在垂直于該應力場方向生長成扁平狀。這些結構的形成和保留可使得沿該應力場方向上的性能得到改善［2－4］。但是在不同的條件下，這些聚烯烴復合材料所受到的影響是不同的［5］。本文對在剪切拉伸雙向復合應力場下擠出低含量（3%）SGF雙向增強PE－HD／PP管材分子的取向受剪切套筒的轉速及剪切應力場段溫度的影響進行初步探討。

1 實驗部分

1．1 主要原料

PE－HD，6100M，北京燕山石油化工股份有限公司；

30%短玻璃纖維增強聚丙烯（SGFRPP），粒料，晨光化工研究院。

1．2 主要設備及儀器

塑料擠出機，SJ－45B，上海擠出機械廠；

多晶X射線衍射儀（WAXD），D／MAX－ⅢA，日本理學公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），X－650，日本日立公司；

剪切拉伸雙向復合應力場擠管裝置，自制。

1．3 樣品制備

原料配比為：PE－HD／SGFRPP＝9／1。擠出模具為管材模，內徑為30mm，外徑為35mm。物料在擠出過程中順序通過周向剪切應力場和軸向拉伸應力場。在剪切應力場中，芯棒上的剪切旋轉套筒的旋轉對物料產生沿周向的剪切應力，該轉速可進行調節；從剪切段進入口模段的圓環形流道的斷面尺寸不斷縮小對物料產生沿軸向的拉伸應力。塑料熔體在流經這兩個應力場時依次受到周向剪切作用和軸向拉伸作用后通過口模而成型為管材。其結構原理如圖1所示。

設置口模溫度為170℃，剪切應力場段溫度在170～210℃之間可調，螺桿轉速恒為20r／min，周向剪切套筒轉速在0～25r／min之間變化時擠出成型的管材定義為增強管材，將周向剪切套筒轉速為零時擠出成型的管材定義為常規管材。

圖1 剪切拉伸雙向復合應力場擠管原理圖Fig．1 Schematic of the structure and principle of pipe－extrusion die with shearing－drawing two－dimensional compound stress field

1．4 性能測試與結構表征

WAXD測試：采用Kα射線，Cu靶，工作電壓為45kV，管流為45mA，掃描速度為0．06（°）／min，掃描范圍為10°～30°；

SEM分析：試樣經液氮冷凍后，脆斷，斷面噴金，加速電壓為20kV，在相同放大倍率下用SEM觀察不同管材分子的微觀取向形貌。

2 結果與討論

2．1 WAXD分析

從圖2和圖3可見，在170℃或200℃下，在10r／min或25r／min的剪切套筒的轉速下，增強管材在周向和軸向的（110）面和（200）面上的衍射強度都比同溫度條件下的常規管材的強，而在170℃及10r／min的剪切套筒轉速下所得增強管材的效果尤其明顯。表明剪切套筒的轉速有效促進了PE－HD／PP／SGF管材體系分子的取向，提高了該體系分子的取向度。其原因應為該套筒的剪切旋轉誘導了分子取向的結果。但對比圖2和圖3中的（a）與（b）顯示，隨著溫度從170℃上升到200℃，且轉速從10r／min提高到25r／min時，增強管材無論是在周向上或是在軸向上，其（110）和（200）面上的衍射強度相對于同溫度條件下的常規管材的提高量都明顯減弱，甚至沒有提高。其原因應為隨著溫度升高和剪切套筒轉速加快所導致的剪切熱的上升，致使PE－HD／PP／SGF管材體系分子的解取向效應變得更加嚴重之故。

圖2 管材周向的WAXD圖譜Fig．2 WAXD curves for the circular direction of the pipes

圖3 管材軸向的WAXD圖譜Fig．3 WAXD curves for the axial direction of the pipes

2．2 SEM分析

對比180℃且25r／min條件下與190℃且25r／min條件下所得增強管材的SEM照片（如圖4所示），也明顯顯示，180℃下所得增強管材晶片的取向更好，分布排列也規整得多，如圖4（a）所示；而190℃下所得增強管材晶片的取向就明顯散亂，分布排列也不規整，如圖4（b）所示。這同樣表明隨著溫度的升高，PE－HD／PP／SGF體系分子的解取向效應變得更加嚴重，其改善體系分子取向排列的效果也逐漸變弱。

圖4 增強管材的SEM照片Fig．4 SEMmicrographs for the reinforced pipes

3 結論

（1）剪切套筒旋轉轉速的形成可有效促進PE－HD／PP／SGF管材體系分子的取向；

（2）隨著剪切套筒旋轉轉速的加快和剪切應力場段溫度的升高，PE－HD／PP／SGF體系分子的解取向變得更加嚴重，其改善體系分子取向的效果逐漸變弱。

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［4］ 袁 毅，申開智．雙向應力場對HDPE1158分子取向結晶效果的影響［J］．高分子材料科學與工程，2010，26（7）：90－92．Yuan Yi，Shen Kaizhi．Effect of Two－dimensional Compound Stress Field on the Molecule′s Orientation and Crystallization of HDPE1158［J］．Polymer Materials Science ＆ Engineering，2010，26（7）：90－92．

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