高性能阻燃聚乙烯材料的制备与表征

蔡智勇，张翼翔，叶俊杰，何小欢，熊金标

（广东聚石化学股份有限公司，广东 清远 511500）

0 引言

聚乙烯是一种典型的热塑性塑料，分子是长链线型结构或支结构，为典型的结晶聚合物，是无臭、无味、无毒的可燃性白色粉末，成型加工的PE 树脂均是经挤出造粒的蜡状颗粒料，外观呈乳白色[1-4]。聚乙烯种类繁多，按照分子量的不同可以分为：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种分子量在150 万以上的、线性结构的、具有优异的耐摩擦性、耐冲击性、自润滑性、耐化学药品性、耐低温、卫生无毒和拉伸强度高等性能的热塑性工程塑料，在工业、农业、医疗、建筑、化工和国防等领域应用广泛，尤其在管材中的应用最为普遍[5-6]。

但是PE 对于环境应力很敏感，在应力或者环境介质的作用下，表面产生应力开裂现象，加工过程中会残留应力或者应变，导致PE 产生脆性开裂，裂口表面光滑，而且PE 其耐环境应力开裂随着熔体指数的增大而降低[7-9]。卢允文[10]等人研究发现PE 在加工过程中会残留应力或者应变，导致PE 产生脆性开裂，裂口表面光滑，而且PE 其耐环境应力开裂随着熔体指数的增大而降低。对于一般注塑级PE 材料，特别是阻燃聚乙烯，阻燃剂的加入会破坏PE 的结晶，注塑时残留的内应力导致制件产生脆性开裂。为此，开发解决现有技术中聚乙烯材料难以兼具优良的阻燃性能、耐应力开裂性能和高冲击强度的问题，开发阻燃聚乙烯材料是研究工作者的重点方向之一。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

本实验使用到的原材料信息见表1，仪器设备信息见表2。

表1 原材料信息

表2 主要仪器设备信息

1.2 材料制备

按照表3 的配方表，依照以下工艺制备高性能阻燃聚乙烯材料。

表3 实验配方表

1）将PE 树脂、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、抗氧剂、增韧剂和润滑剂按照比例称取之后在搅拌锅中混合均匀，时间设置为2 min。

2）将步骤1)的物料在双螺杆挤出机中混炼挤出、拉条、切粒、筛分，得到阻燃聚乙烯材料。混炼挤出温度为100～170 ℃，物料通过喂料口进入同向双螺杆挤出机进行混炼挤出，同向螺杆挤出机的螺杆直径为36 mm，螺杆长径比为44∶1。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

采用CG110E 卧式注射机分别对样品进行注射成型（成型工艺条件：注射温度（加料口）175、185、190 ℃（喷嘴）、注射压力35 MPa、保压时间8 s、冷却时间12 s），制备成标准样条，再进行性能测试，测试结果如表4 所示。

表4 样品物理性能

本研究选用的PE 树脂，无论是LDPE 或者是HDPE 树脂，都是注塑级的，其流动性较高的，而PE其耐环境应力开裂随着熔体指数的增大而降低，而且制件注塑完成后都会有内应力残留，所以此类PE 树脂的性能很差，基本上浸泡环境试剂3h 内即出现开裂情况。但由于应用条件需要较高流动性的基材树脂，则为了解决该类材料应力开裂问题，本研究通过添加增韧剂LLDPE 或者/和EVA 进行改善。一方面，增韧剂可以在PE 树脂的分子链上形成一些支链，提高PE 的支化度，从而影响到PE 树脂的结晶，减少大球晶的出现，避免大球晶成为应力集中点，阻止了裂纹的产生，从而提高了耐应力开裂性能；另一方面，本研究选用的增韧剂LLDPE 或者/和EVA 本身和PE树脂的相容性好，可以提高阻燃聚乙烯的韧性。

2.2 耐应力开裂

将注塑成样条之后，在顶针位置（有内应力）打入一颗螺丝钉，使其释放内应力点，将有打螺丝的样条一端浸泡在有烷基酚聚氧乙烯醚烧杯中，放在水浴锅中，设置70 ℃进行恒温，每次放入3 根样条，全部开裂则停止测试，超过336 h 也停止测试。结果见表5和图1 所示。

图1 耐应力开裂测试

表5 样品耐应力开裂性能

将测试例1 中的开裂性能测试中环境试剂烷基酚聚氧乙烯醚改为纯净水，进行测试，实施例和对比例的样条浸泡336 h 以上都没有出现开裂情况。由此可知，表5 中耐应力开裂性能的测试中，在环境试剂烷基酚聚氧乙烯醚作用下的样条开裂，没有出现样条溶胀或者溶解的情况，属于物理反应，不是化学变化。

表5 测试结果可知，低VA 含量的EVA 在解决应力开裂性能上差于高VA 含量的，加入LLDPE+EVA 可以更好的提高阻燃聚乙烯的耐应力开裂性能，且加入LLDPE 与高VA 的EVA 防止应力开裂效果更佳。从图1 也可看出，试样2 制得的聚乙烯样条在上述浸泡测试后完整，而对比样3 制得的聚乙烯样条在螺丝钉一端出现开裂，在HDPE 中加入EVA 和/或LLDPE 可以很好地解决耐应力开裂问题。这是因为，注塑级LDPE 和HDPE 本身的耐应力开裂性能很差。

3 结论

本研究制备得到的阻燃聚乙烯材料阻燃性能优异，阻燃等级为UL94 V-2，延燃时间短，力学性能优异，性能良好，在环境试剂中浸泡时间超过14 d 不开裂；且其制备方法简单，原料充足，生产成本低，易于进行工业化大规模生产。