玻纤增强对聚乙烯(PE)塑料性能影响研究

玻纤增强对聚乙烯(PE)塑料性能影响研究

解健, ,张金铎, ,张天琪

中国石油抚顺石化公司烯烃厂

摘要：随着我国科学技术的发展与进步，塑料改性加工技术在塑料加工行业已经是十分普遍的通用加工技术。特别在工程塑料的加工应用方面。在汽车制造，家用电器，化工设备，航空航天等领域应用更是愈加广泛。塑料的改性加工有十分多样的方法和应用技术。如：填充改性，共混改性，复合改性，接枝改性等。通过不同的技术手段均能实现人们想需要的塑料功能材料。不断实现材料的多样化、功能化、轻量化，实现工业产品的节能化和优质化。因此，在未来的工业领域，塑料改性功能材料将是替代其他材料的先进的工程材料之一。

关键词：连续长玻璃纤维；改性；功能母粒；拉伸强度；断裂伸长率

引言

目前国内聚乙烯复合材料垫板采用纯UHMWPE或HPDE材料生产制造，强度低，耐磨性能较差，加工成型困难等缺点，需对其进行增强改性处理。采用玻璃纤维与热塑性树脂进行共混是一种常用的改性手段，采用纤维增强可以有效提高材料的力学性能，适用于较为苛刻的使用环境、承载力要求较高的场合，为当前新材料研究的重点和发展的方向。玻璃纤维作为常用的增强材料，分为无碱、中碱以及高碱玻璃纤维，具有抗拉性能较好，弹性模量大、价格便宜等特点，作为增强材料使用后可提高制品的刚性，具有良好的抗变形能力，耐磨性好，且价格便宜。

1实验部分

1.1　主要原料

表1　试验原辅材料清单

1.2主要仪器及设备

立式混料机：Y100I-4型，张家港市长青机械有限公司；同向双螺杆挤出机：SHJ-65D型，江苏诚盟装备股份有限公司；注塑机：TTI-90SeK11型，无锡格兰机械集团有限公司；电脑式材料拉力试验机：LK-103B型，东莞市力控仪器科技有限公司；密度计：JA203M型，常州幸运电子科技有限公司；数显简支梁冲击试验机：HC-8215型，苏州华川检测仪器有限公司；电动缺口制样机：XQZ-11型，上海皆准仪器设备有限公司。

1.3试样制备

本研究采用UHMWPE与不同比例玻璃纤维进行混配试验，玻纤含量分别为0%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%。通过实验确定出最佳的UHMWPE、玻璃纤维混配比例。配置过氧化氢、蒸馏水、氨水混合液，滴加乙酸，将PH值调至4-5，按玻纤量的3%添加KH550硅烷偶联剂，混合均匀，将玻璃纤维放入其中浸泡，反应4小时，完成后在80℃下进行烘干。按照实验设定的不同比例将玻纤与UHMWPE混合，在自动搅拌机内搅拌15min，物料混合均匀后放入干燥箱烘干。将物料放入模具腔内铺满，清理周围余料，将模具置于平板硫化机内，先在10MPa压力下预压，温度达到设定值180℃后，加压至15MPa，热压20min，再冷却至常温制成所需样板。利用万能制样机，对制得的8组不同玻纤含量的UHMWPE改性样板，按照摩擦磨损性能试验标准、拉伸试验标准、弯曲试验标准以及简支梁缺口冲击试验标准制作标准试样，进行摩擦磨损性能和力学性能试验。

1.4热气胀成形性能研究

通过对热塑性纤维金属层板的成形过程进行数值模拟，可以预测制造工艺的可行性，探究褶皱、裂纹、分层和树脂堆积的发生，对试验具有指导作用。为了正确模拟热塑性纤维金属层压板的成形过程，必须考虑不同材料在成形过程中表现出的差异，铝板表现出塑性变形，具有较高的延伸率，与铝相比，面内剪切变形是连续纤维增强芯层的主要变形模式，该模式仅允许纤维方向的较小应变。本文采用的有限元软件基于显示时间积分方案，提供了可以用于预测热塑性复合材料成形行为的模型。

1.5热老化实验与验证

玻纤增强硅树脂制品的热老化在服役温度下是一个相对漫长的过程，为了能够在短时间内验证制品热老化后的性能，需要对玻纤增强硅树脂制品进行人工加速热老化。根据高聚物时温等效原理，同一热老化结果可以在工作温度下、较长时间内获得，也可以在更高的温度下、较短的时间内获得。因此采用高温热处理的方法对玻纤增强硅树脂制品进行人工加速热老化，以达到缩短实验时间的目的。选取最佳工艺参数制造的磁轭线圈骨架，将其按照在控制棒驱动组件中的服役状态封装为线圈组件。根据核电机组服役标准，将线圈组件置于310℃下连续进行7d的热暴露实验。受热完成后，按照核设施验收标准对线圈组件进行了一系列工程验证实验：在振动环境下，进行了绝缘电阻测试、电感测试和500V脉冲电压测试。在潮湿环境中，进行了1000V脉冲电压测试、耐压测试和线圈电阻测试。

2结果与讨论

2.1不同玻纤添加量对聚乙烯塑料拉伸强度的影响

通过试验数据和图可以很清楚的看到玻璃纤维添加量达到30%~40%可以明显提高聚乙烯的拉伸强度。随着添加量的持续增大，拉伸强度增加不再明显变化，几乎趋于稳定。

2.2不同玻纤添加量对聚乙烯塑料材料冲击性能的影响

通过1.6款的试验测试，纯聚乙烯由于韧性很好，冲击能量无法获取，经测定30%玻纤添加量其冲击能量56.8kJ/m2，40%玻纤添加量其冲击能量51.52kJ/m2。可以发现，随着玻纤添加量的增大聚乙烯材料冲击能量是下降的趋势。这也就说明了为什么不能为了提高材料的强度而无限制地添加玻纤的主要原因。因为提高了强度的同时也降低了材料的韧度，使材料的利用性能变差。

3讨论

(1)PA612/GF30材料的拉伸强度、弯曲强度以及弯曲弹性模量最优，其次是PA1012/GF30材料，最差的是PA12/GF30材料。但是无论是常温还是低温状态下的缺口冲击强度，PA1012/GF30材料最优，PA12/GF30材料其次，PA612/GF30材料最差。材料密度、热变形温度以及熔点由高到低的顺序为：PA612/GF30，PA1012/GF30，PA12/GF30。另外，三种材料的吸水率都比较低，相差不大。(2)从实际成品来看，三种GF增强长链聚酰胺的收缩率一致，但是由PA1012/GF30材料注塑的产品外观比PA612/GF30好。另外，由PA1012/GF30材料制作的产品质量最接近由PA12/GF30材料制作的量产产品。(3)综合材料的性能以及注塑制样情况看，PA1012/GF30材料是最经济的替代PA12/GF30的材料。

结束语

LGF-PP制品中玻纤断裂、玻纤端部脱出、玻纤与基材剥离都会吸收能量，加上玻纤的端部数量少和形成的玻纤桥架共同赋予LGF-PP优异的性能。而影响制品中玻纤断裂的主要因素是聚丙烯树脂熔体对玻纤的剪切摩擦作用，选材上降低聚丙烯的黏度等级和注塑时提高料筒的熔融温度都可以改善聚丙烯熔体的黏度，进而有效改善玻纤的保留长度，但与此同时需要确认熔接线区域强度，才能保证制品整体的力学性能。LGF-PP制品中玻纤长度的表征方法采用重均统计法比数均统计法更好。

参考文献

[1]余忠.短玻纤增强聚丙烯复合材料水辅助注射成型机理研究[D].南昌大学,2020.

[2]李大治,周正伟,冯金茂,陆国强,张明志,金建强.单向玻纤预浸带增强聚乙烯复合管力学性能研究[J].石油管材与仪器,2020,6(03):26-29.

[3]王大鹏.连续玻璃纤维复合带增强聚乙烯管道失效研究[D].山东科技大学,2020.

[4]崔宇豪.冲击电压作用下频率选择超材料蒙皮沿面放电特性研究[D].合肥工业大学,2020.

[5]潘星.复合材料及其力学性能测试[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(05):62-64.