移除相對(duì)高度對(duì)雙型聚乙烯力學(xué)性能的影響

pe（pe）在輸水管理和氣壓方面的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。新合成技術(shù)有效地控制了pe結(jié)構(gòu)，可以得到性能更高的pe材料。影響PE樹(shù)脂性能的結(jié)構(gòu)因素包括摩爾質(zhì)量大小及分布,支化程度及支鏈長(zhǎng)短,共聚體類型等。僅就摩爾質(zhì)量而言,傳統(tǒng)的單峰摩爾質(zhì)量分布聚乙烯常在力學(xué)性能和加工性能上存在一定的矛盾,如增大摩爾質(zhì)量以提高力學(xué)性能時(shí)往往表現(xiàn)出熔體黏度太高而導(dǎo)致加工性能較差。近年來(lái),基于新型合成工藝生產(chǎn)的雙峰聚乙烯(BPE),其摩爾質(zhì)量分布呈現(xiàn)獨(dú)特的雙峰特征,其中較高摩爾質(zhì)量峰的級(jí)分可賦予材料良好的力學(xué)性能,而較低摩爾質(zhì)量峰的級(jí)分則可賦予材料良好的加工流動(dòng)性,從而可能實(shí)現(xiàn)材料力學(xué)性能與加工性能的兼顧和平衡。BPE的摩爾質(zhì)量分布可以表現(xiàn)出不同形式的變化特征,如兩個(gè)峰的位置和高度等改變都可能引起材料各種性能改變。目前,對(duì)不同雙峰摩爾質(zhì)量分布特征與BPE材料性能的關(guān)系的了解還不夠系統(tǒng)和詳細(xì),這方面的研究對(duì)BPE材料的合理制備和應(yīng)用有一定的價(jià)值和意義。對(duì)于BPE管材的應(yīng)用而言,評(píng)價(jià)其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力具有特別的重要性。逐漸受到重視的基本斷裂功法(EWF)可較為方便地用于評(píng)價(jià)韌性聚合物特別是高韌性聚合物的斷裂行為。本文用較少量的均聚高密度聚乙烯和商品BPE熔融共混擠出制備了一系列摩爾質(zhì)量分布為雙峰且峰的位置基本一致而雙峰相對(duì)高度不同的BPE樣品,以便了解BPE雙峰特征對(duì)材料力學(xué)性能尤其是斷裂韌性的影響。1實(shí)驗(yàn)部分1.1tssj-25與pe391質(zhì)量比的確定[JP+2]以兩種高密度聚乙烯為原料:摩爾質(zhì)量雙峰分布的PE100(上海石化,密度=0.949g/cm3,Mw=5.9×105g/mol);摩爾質(zhì)量單峰分布的PE2911(撫順石化,密度=0.960g/cm3,Mw=1.7×105g/mol)。將PE2911與PE100分別按0/100、4/96、8/92、12/88、16/84的質(zhì)量比在TSSJ-25同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)(L/D=33)上兩次擠出并切粒,擠出機(jī)各段及機(jī)頭溫度分別為:130、160、180、210、210、205℃。得到的各樣品相應(yīng)記為S0、S1、S2、S3、S4。1.2拉伸性能測(cè)試凝膠滲透色譜(GPC)測(cè)試:PE100和PE2911的摩爾質(zhì)量分布曲線通過(guò)GPC測(cè)試得到,溶劑為1,2,4-三氯苯,測(cè)試溫度160℃。拉伸性能及沖擊性能測(cè)試:將各樣品粒料注射成啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)樣條按(ISO527-1:1996)標(biāo)準(zhǔn)在Instron4302電子萬(wàn)能拉力機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試。測(cè)試時(shí),壓力傳感器為1000N,實(shí)驗(yàn)溫度為(23±2)℃,拉伸速率50mm/min。用4mm厚的矩形樣條按標(biāo)準(zhǔn)(ISO179.2-1997)進(jìn)行缺口沖擊測(cè)試,缺口位置在中間,深度為2mm。EWF測(cè)試:將注塑樣條用平板硫化機(jī)在溫度220℃、壓強(qiáng)10MPa條件下壓制成約0.5mm厚的片材,剪裁成長(zhǎng)和寬分別為100、35mm的雙邊缺口(DENT)試樣,用鋒利的單邊刀片在垂直于拉伸方向上預(yù)制尖銳裂紋。韌帶長(zhǎng)度l控制在W/3>l>3t(W和t分別為DENT試樣的寬度和厚度),保證每個(gè)組分不同韌帶長(zhǎng)度的試樣數(shù)量至少20個(gè)。采用Instron4302拉伸機(jī)進(jìn)行DENT試樣的拉伸斷裂實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)溫度(23±2)℃,夾具移動(dòng)速度5mm/min,計(jì)算機(jī)記錄載荷-位移曲線,斷裂消耗的能量通過(guò)曲線積分得到。2結(jié)果與討論2.1不同比例加和各樣品的摩爾質(zhì)量分布曲線由GPC得到的單峰分布的PE2911和雙峰分布的PE100的摩爾質(zhì)量分布曲線如圖1a所示,由圖可見(jiàn),二者的摩爾質(zhì)量分布曲線上PE2911的峰位置與PE100的低峰位置基本相同。按共混物的不同比例加和二者的摩爾質(zhì)量分布曲線得到S1～S4的GPC摩爾質(zhì)量分布曲線,參見(jiàn)圖1b。顯然,各個(gè)曲線的兩個(gè)峰的相對(duì)強(qiáng)弱呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性變化趨勢(shì)。其重均摩爾質(zhì)量Mw和摩爾質(zhì)量分布寬度Mw/Mn見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn),各樣品的Mw僅有很小的變化,Mw/Mn依次減小的變化也不太顯著。從圖1b可以看到,按不同比例加和后的摩爾質(zhì)量分布曲線上位置較高峰的高度依次降低而較低峰的高度依次增加,但各樣品的兩個(gè)峰位置均基本相同,且峰位置均約為lgMw=6.05和lgMw=4.97?？傊?各個(gè)共混樣品仍然呈現(xiàn)出BPE的摩爾質(zhì)量分布特征,但是雙峰相對(duì)高度發(fā)生規(guī)則變化。2.2拉伸強(qiáng)度的影響不同摩爾質(zhì)量分布的BPE的拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度如圖2所示。對(duì)于各BPE試樣,隨著低峰強(qiáng)度的增大,低摩爾質(zhì)量級(jí)分逐漸增加而高摩爾質(zhì)量級(jí)分逐漸減少,樣品摩爾質(zhì)量逐漸下降,分子鏈之間的纏結(jié)也必然隨之下降,力學(xué)性能應(yīng)該隨之下降。但是從各試樣的拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出,不同摩爾質(zhì)量分布的BPE的拉伸強(qiáng)度幾乎保持一致。從各BPE試樣的缺口沖擊強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可以看出,純PE100的缺口沖擊強(qiáng)度較大,S1樣品減少到最低27.26kJ/m2,隨后沖擊強(qiáng)度又隨著低峰相對(duì)高度的增加而逐漸變大,最大為29.33kJ/m2。但這種變化程度很小,都在標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍內(nèi),因此,可以認(rèn)為雙峰相對(duì)對(duì)BPE樣品的缺口沖擊強(qiáng)度影響很小,即此系列BPE的摩爾質(zhì)量分布變化對(duì)基本力學(xué)性能沒(méi)有明顯影響。2.3各材料的斷裂韌性圖3顯示了不同摩爾質(zhì)量分布的BPE的DENT試樣在整個(gè)拉伸斷裂過(guò)程的載荷-位移曲線(只列出了S0,S2和S4)。從圖中可以看出,對(duì)于各種BPE材料,載荷-位移曲線都有良好的自相似性。開(kāi)始階段位移微小的增加就引起載荷快速的增大,為線彈性區(qū)。隨著載荷的增大,達(dá)到屈服點(diǎn)后,載荷突然降低,韌帶屈服并開(kāi)始成頸。韌帶完全成頸后,裂紋開(kāi)始產(chǎn)生并穩(wěn)定增長(zhǎng),直至試樣斷裂。因此,各個(gè)BPE材料都滿足EWF測(cè)試的前提條件。對(duì)同一組不同韌帶長(zhǎng)度的DENT試樣的載荷-位移曲線的面積(wf)對(duì)韌帶長(zhǎng)度(l)作圖,可以得到材料的比基本斷裂功(We)和非基本斷裂功(βWp)。這兩個(gè)參數(shù)分別反映材料在斷裂過(guò)程中抵抗裂紋擴(kuò)展的能力和塑性形變的能力。對(duì)于所有的試樣,wf-l曲線展示出非常好的線性關(guān)系,線性回歸系數(shù)都在0.97以上。所有BPE試樣的We和βWp值與PE2911的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出,S0的比基本斷裂功We最小,表明材料的斷裂韌性即抵抗裂紋擴(kuò)展能力較小。隨低峰相對(duì)高度的增大,其We有逐步增大的趨勢(shì)。S2的We值有較顯著的增大,與S0相比,增加幅度近25%,這表明材料的抵抗裂紋擴(kuò)展能力顯著提高;隨著低峰相對(duì)高度繼續(xù)增大,直到S4時(shí),其We值雖仍有進(jìn)一步的增加,但其增加幅度逐漸趨小,表明相對(duì)較低摩爾質(zhì)量的低峰級(jí)分的增多對(duì)提高材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的作用越趨不明顯。從比塑性形變功βWp的數(shù)據(jù)變化來(lái)看,S0的βWp值較大;當(dāng)?shù)头逑鄬?duì)高度增大時(shí),所有BPE的βWp值均略有減小,這表明材料斷裂過(guò)程中抵抗塑性變形的能力稍有降低;但是從整體來(lái)看,βWp值的減小趨勢(shì)并不顯著,材料破壞時(shí)塑性變形的能耗下降很小。3bpe材料摩爾質(zhì)量分布的影響隨著B(niǎo)PE材料摩爾質(zhì)量分布低峰相對(duì)強(qiáng)度的增大,即低峰摩爾質(zhì)量級(jí)分的增多,材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度基本保持不變,卻大大地提高了基本斷裂功參數(shù)We,即材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力有了很大的提升,而非基本斷裂功參數(shù)βWp值變化非