匡新謀 ，蘇敏茹 ，李浩 ，申小蘭 ，袁正勇 ，顏雪冬 ，楊偉群

(1.寧波職業(yè)技術(shù)學院乙烯工程副產(chǎn)物高質(zhì)化利用浙江省應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江寧波 315800；2.寧波職業(yè)技術(shù)學院化學工程學院，浙江寧波 315800； 3.通標標準技術(shù)服務(wù)有限公司寧波分公司，浙江寧波 315040)

聚丙烯(PP)是具有優(yōu)異物理及化學性能的通用高分子材料，其大范圍應(yīng)用引起的污染也越來越受到人們的關(guān)注，很多學者對PP及回收材料開展了大量研究，以拓寬其應(yīng)用范圍[1–2]；滌綸在成本、環(huán)?？苫厥铡⒓庸ぜ案邚姸?、高模量等力學性能方面均具有很多優(yōu)點[3–5]，與PP材料具有很好的互補性，因此，采用滌綸改性PP的研究非常廣泛[6–9]，通常采用添加增容劑的方式以增加滌綸和PP的相容性能[10–12]。與滌綸類似，隨著城市化進程的加快，錦綸／氨綸作為通用材料，使用量也越來越大，然而其回收物通常以滌綸／錦綸／氨綸混合物的形式出現(xiàn)，帶來的環(huán)境問題也不容忽視，因此，研究滌綸／錦綸／氨綸等混合纖維回收問題，比單獨研究滌綸回收工藝具有更強的實際意義。然而，成絲狀的滌綸／錦綸／氨綸混合纖維與PP粒子很難直接混合均勻，導致制備的復合材料力學性能不穩(wěn)定。因此，在滌綸改性PP工藝研究基礎(chǔ)上，探索滌綸／錦綸／氨綸混合纖維與PP的相容性，進而利用滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP制備新型復合材料，具有重要的理論與實際意義。

筆者在總結(jié)絲狀纖維改性技術(shù)[13–17]以及預處理工藝[18–19]基礎(chǔ)上，分別采用密煉及團粒預處理工藝，以馬來酸酐接枝PP (PP-g-MAH)和甲基丙烯酸縮水甘油酯接枝乙烯–辛烯共聚物(POE-g-GMA)為混合增容劑，再經(jīng)擠出造粒及注塑，制備出滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP復合材料，考察了密煉及團粒預處理工藝對制備的復合材料力學性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與密煉預處理工藝相比，團粒預處理工藝優(yōu)勢明顯。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

PP：市面分揀回收公司，

PP-g-MAH：GPM200A，寧波能之光新材料科技股份有限公司；

POE-g-GMA：E516，寧波能之光新材料科技股份有限公司；

抗氧劑：225：市售；

滌綸、錦綸、氨綸：市面分揀回收公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

同向雙螺桿擠出機：SHJ–20型，南京杰恩特機電有限公司；

電子萬能試驗機：CMT6104型，深圳市新三思材料檢測有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG–9203A型，上海精宏實驗設(shè)備有限公司；

注塑機：HCF100–W3型，寧波明和機械制造有限公司；

沖擊試驗機：ZBC1400–2型：美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；

團粒機：HS160型，張家港市五合機械有限公司；

冷場發(fā)射掃描電字顯微鏡(SEM)：Quanta-600FEG型，荷蘭FEI公司；

密煉機：XSS–300型，上?？苿?chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司。

1.3 材料預處理

將滌綸／錦綸／氨綸混合纖維于120℃干燥6 h后備用；將PP，PP-g-MAH，POE-g-GMA等材料于120℃干燥4 h后備用。

(1)密煉預處理工藝。

滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP復合材料配方列于表1。按照表1配方將干燥好的各種原材料混合均勻后，置于密煉機內(nèi)，在溫度為220℃、轉(zhuǎn)速為35 r／min條件下，密煉15 min后取出，冷卻，備用。

表1 滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP復合材料配方 %

(2)團粒預處理工藝。

將干燥好的滌綸／錦綸／氨綸混合纖維置于團粒機內(nèi)，在150℃下團粒30 min，取出，冷卻；按照表1配方添加其它原材料，混合均勻后，備用。

1.4 試樣制備

將上述混合后的物料通過雙螺桿擠出機擠出造粒，擠出機擠出條件設(shè)置如下：一區(qū)溫度150℃，二區(qū)溫度230℃，三區(qū)溫度240℃，四區(qū)溫度245℃，機頭溫度240℃，熔體溫度239℃，熔體壓力–0.2 MPa，主機轉(zhuǎn)速 20.89 r／min。擠出樣條經(jīng)水冷后切粒，粒料在140℃干燥6 h，備用。

將上述干燥好的擠出粒料經(jīng)注塑機注塑成測試試樣，注塑條件設(shè)置如下：注塑溫度210℃，一級注塑行程15 mm，一級注塑壓力1.5 MPa，一級注塑速度50%，一級保壓時間1.0 s，一級保壓壓力5 MPa，一級保壓速度40%。

1.5 性能測試

拉伸性能按GB／T 1040.1–2018測試，采用Ⅱ型試樣，試驗速度為5 mm／min；

彎曲性能按GB／T 9341–2000測試，試驗速度為5 mm／min；

缺口沖擊強度按GB／T 1843–2008測試，V型缺口，沖擊能量2.75 J；

SEM分析：將試樣淬斷并固定在導電膠帶上，噴金處理，觀察斷面的外觀形貌，加速電壓20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量對復合材料力學性能的影響

(1)拉伸強度和彎曲強度。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的拉伸強度、彎曲強度分別如圖1、圖2所示。

圖1 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的拉伸強度

圖2 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的彎曲強度

從圖1可以看出，采用團粒預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，制備的復合材料拉伸強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時，復合材料的拉伸強度達到最大值，為20.74 MPa；采用密煉工藝制備的復合材料的拉伸強度較小，在17 MPa左右波動。

由圖2可以看出，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，采用團粒預處理工藝制備的復合材料的彎曲強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時，復合材料的彎曲強度達到最大值，為34.53 MPa；采用密煉預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復合材料的彎曲強度逐漸增大，其彎曲強度最大值為31.27 MPa，明顯小于團粒預處理工藝制備的復合材料。

采用密煉預處理工藝，復合材料未定向取向，熔體流動性差，纖維分布不均勻，降低了復合材料的力學性能[18]；采用團粒預處理工藝，滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量低于50%時，可能由于化纖材料具有較高的強度并且能均勻分散在PP基體中充當骨架作用[18]，因此材料的力學性能好；隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的繼續(xù)增加，可能使擠出過程中的纖維斷裂或者注塑過程中熔體流動性變差，導致樣品內(nèi)部纖維分布不均勻，應(yīng)力集中，進而降低了復合材料的力學性能[20]。

(2)缺口沖擊強度。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的缺口沖擊強度如圖3所示。

圖3 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的缺口沖擊強度

從圖3可以看出，采用密煉預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復合材料的缺口沖擊強度逐漸減小，其缺口沖擊強度均小于5 kJ／m2，表明密煉工藝中增加混合纖維加入量將降低復合材料的缺口沖擊強度，這與文獻[18]的結(jié)果一致。采用團粒預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復合材料的缺口沖擊強度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為40%時，復合材料的缺口沖擊強度達到最大值，為10.81 kJ／m2。這可能是因為隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，混合纖維在PP基體中越來越難于均勻分散[15]以及復合材料受沖擊過程中纖維斷裂和拔出吸收能量[21]共同作用的結(jié)果。

(3)斷裂伸長率。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的斷裂伸長率如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，采用團粒預處理工藝制備的復合材料的斷裂伸長率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時，復合材料的斷裂伸長率達到最大值，為16.01%；采用密煉預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復合材料的斷裂伸長率逐漸減小，其斷裂伸長率均小于5%。結(jié)果表明，采用團粒預處理工藝制備的復合材料的斷裂伸長率明顯優(yōu)于密煉預處理工藝制備的復合材料。

圖4 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的斷裂伸長率

(4)彎曲彈性模量。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的彎曲彈性模量如圖5所示。

圖5 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復合材料的彎曲彈性模量

從圖5可知，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，采用團粒預處理工藝制備的復合材料的彎曲彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為60%時，復合材料的彎曲彈性模量達到最大值，為1 544.11 MPa。采用密煉預處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量逐漸增加，復合材料的彎曲彈性模量逐漸增大，其彎曲彈性模量最大值為1 208.73 MPa，明顯小于團粒預處理工藝制備的復合材料的彎曲彈性模量。

2.2 復合材料的斷面微觀結(jié)構(gòu)分析

當滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為60%時，不同預處理工藝制備復合材料斷面的SEM照片如圖6所示。

圖6 不同預處理工藝制備復合材料斷面的SEM照片

由圖6可以看出，采用密煉預處理工藝，大部分纖維能均勻分散于PP基體中，斷面上有許多“小坑”，此為部分纖維從PP基體中拔出留下的痕跡。采用團粒預處理工藝，大部分纖維能均勻分散于PP基體中，斷面上的“小坑”相對較少。比較團粒與密煉兩種預處理工藝可知，團粒預處理工藝制備的復合材料斷面僅有極少量纖維被拔出，表明采用團粒預處理工藝，纖維與PP基體之間結(jié)合比較牢固，提高了復合材料的力學性能。

3 結(jié)論

為提升滌綸／錦綸／氨綸等回收材料的利用價值，以PP和滌綸／錦綸／氨綸等回收材料為原料，分別采用密煉和團粒預處理工藝，制備滌綸／錦綸／氨綸共混改性PP復合材料，發(fā)現(xiàn)采用團粒預處理工藝制備的復合材料的力學性能明顯優(yōu)于采用密煉預處理工藝制備的復合材料。采用團粒預處理工藝，當回收滌綸／錦綸／氨綸混合纖維的加入量為60%，復合材料的彎曲彈性模量達到最大值，為1 544.11 MPa；當回收滌綸／錦綸／氨綸混合纖維的加入量50%時，復合材料的拉伸強度、彎曲強度和斷裂伸長率均達到最大值，分別為20.74 MPa，34.53 MPa和16.01%；當回收滌綸／錦綸／氨綸混合纖維的加入量40%時，復合材料的缺口沖擊強度達到最大值，為10.81 kJ／m2。SEM分析表明，采用團粒預處理工藝，復合材料斷面被拔出纖維相對較少，纖維與PP基體之間結(jié)合比較牢固。