高性能阻燃聚乙烯材料的制備與表征

蔡智勇，張翼翔，葉俊杰，何小歡，熊金標

（廣東聚石化學股份有限公司，廣東 清遠 511500）

0 引言

聚乙烯是一種典型的熱塑性塑料，分子是長鏈線型結構或支結構，為典型的結晶聚合物，是無臭、無味、無毒的可燃性白色粉末，成型加工的PE 樹脂均是經擠出造粒的蠟狀顆粒料，外觀呈乳白色[1-4]。聚乙烯種類繁多，按照分子量的不同可以分為：低分子量聚乙烯、普通分子量聚乙烯和超高分子量聚乙烯。超高分子量聚乙烯是一種分子量在150 萬以上的、線性結構的、具有優異的耐摩擦性、耐沖擊性、自潤滑性、耐化學藥品性、耐低溫、衛生無毒和拉伸強度高等性能的熱塑性工程塑料，在工業、農業、醫療、建筑、化工和國防等領域應用廣泛，尤其在管材中的應用最為普遍[5-6]。

但是PE 對于環境應力很敏感，在應力或者環境介質的作用下，表面產生應力開裂現象，加工過程中會殘留應力或者應變，導致PE 產生脆性開裂，裂口表面光滑，而且PE 其耐環境應力開裂隨著熔體指數的增大而降低[7-9]。盧允文[10]等人研究發現PE 在加工過程中會殘留應力或者應變，導致PE 產生脆性開裂，裂口表面光滑，而且PE 其耐環境應力開裂隨著熔體指數的增大而降低。對于一般注塑級PE 材料，特別是阻燃聚乙烯，阻燃劑的加入會破壞PE 的結晶，注塑時殘留的內應力導致制件產生脆性開裂。為此，開發解決現有技術中聚乙烯材料難以兼具優良的阻燃性能、耐應力開裂性能和高沖擊強度的問題，開發阻燃聚乙烯材料是研究工作者的重點方向之一。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

本實驗使用到的原材料信息見表1，儀器設備信息見表2。

表1 原材料信息

表2 主要儀器設備信息

1.2 材料制備

按照表3 的配方表，依照以下工藝制備高性能阻燃聚乙烯材料。

表3 實驗配方表

1）將PE 樹脂、十溴二苯乙烷、三氧化二銻、抗氧劑、增韌劑和潤滑劑按照比例稱取之后在攪拌鍋中混合均勻，時間設置為2 min。

2）將步驟1)的物料在雙螺桿擠出機中混煉擠出、拉條、切粒、篩分，得到阻燃聚乙烯材料。混煉擠出溫度為100～170 ℃，物料通過喂料口進入同向雙螺桿擠出機進行混煉擠出，同向螺桿擠出機的螺桿直徑為36 mm，螺桿長徑比為44∶1。

2 結果與討論

2.1 物理性能

采用CG110E 臥式注射機分別對樣品進行注射成型（成型工藝條件：注射溫度（加料口）175、185、190 ℃（噴嘴）、注射壓力35 MPa、保壓時間8 s、冷卻時間12 s），制備成標準樣條，再進行性能測試，測試結果如表4 所示。

表4 樣品物理性能

本研究選用的PE 樹脂，無論是LDPE 或者是HDPE 樹脂，都是注塑級的，其流動性較高的，而PE其耐環境應力開裂隨著熔體指數的增大而降低，而且制件注塑完成后都會有內應力殘留，所以此類PE 樹脂的性能很差，基本上浸泡環境試劑3h 內即出現開裂情況。但由于應用條件需要較高流動性的基材樹脂，則為了解決該類材料應力開裂問題，本研究通過添加增韌劑LLDPE 或者/和EVA 進行改善。一方面，增韌劑可以在PE 樹脂的分子鏈上形成一些支鏈，提高PE 的支化度，從而影響到PE 樹脂的結晶，減少大球晶的出現，避免大球晶成為應力集中點，阻止了裂紋的產生，從而提高了耐應力開裂性能；另一方面，本研究選用的增韌劑LLDPE 或者/和EVA 本身和PE樹脂的相容性好，可以提高阻燃聚乙烯的韌性。

2.2 耐應力開裂

將注塑成樣條之后，在頂針位置（有內應力）打入一顆螺絲釘，使其釋放內應力點，將有打螺絲的樣條一端浸泡在有烷基酚聚氧乙烯醚燒杯中，放在水浴鍋中，設置70 ℃進行恒溫，每次放入3 根樣條，全部開裂則停止測試，超過336 h 也停止測試。結果見表5和圖1 所示。

圖1 耐應力開裂測試

表5 樣品耐應力開裂性能

將測試例1 中的開裂性能測試中環境試劑烷基酚聚氧乙烯醚改為純凈水，進行測試，實施例和對比例的樣條浸泡336 h 以上都沒有出現開裂情況。由此可知，表5 中耐應力開裂性能的測試中，在環境試劑烷基酚聚氧乙烯醚作用下的樣條開裂，沒有出現樣條溶脹或者溶解的情況，屬于物理反應，不是化學變化。

表5 測試結果可知，低VA 含量的EVA 在解決應力開裂性能上差于高VA 含量的，加入LLDPE+EVA 可以更好的提高阻燃聚乙烯的耐應力開裂性能，且加入LLDPE 與高VA 的EVA 防止應力開裂效果更佳。從圖1 也可看出，試樣2 制得的聚乙烯樣條在上述浸泡測試后完整，而對比樣3 制得的聚乙烯樣條在螺絲釘一端出現開裂，在HDPE 中加入EVA 和/或LLDPE 可以很好地解決耐應力開裂問題。這是因為，注塑級LDPE 和HDPE 本身的耐應力開裂性能很差。

3 結論

本研究制備得到的阻燃聚乙烯材料阻燃性能優異，阻燃等級為UL94 V-2，延燃時間短，力學性能優異，性能良好，在環境試劑中浸泡時間超過14 d 不開裂；且其制備方法簡單，原料充足，生產成本低，易于進行工業化大規模生產。