回收聚酯纖維增強(qiáng)TPO復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究

雷同，劉笑寒，樊明帥，張雨晴，尹天歌，馮鈉

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

熱塑性聚烯烴彈性體（Thermo Plastic Olefin，以下簡(jiǎn)稱：TPO）由橡膠和聚烯烴兩部分構(gòu)成，它既具有橡膠材料的特性，又具有熱塑性樹(shù)脂的性能，是迄今為止100%可以回收的熱塑性彈性體， TPO防水材料既具有三元乙丙橡膠的耐候性，又具有塑料防水卷材的可焊接性，防水效果可靠，耐老化性能突出，以及優(yōu)異的物理化學(xué)性能和環(huán)保性能，TPO防水材料已經(jīng)成為當(dāng)今世界增長(zhǎng)速度最快的防水材料。在美國(guó)，TPO防水卷材已經(jīng)占到美國(guó)低坡度商業(yè)屋面材料市場(chǎng)的24%，且年均保持23%以上的增長(zhǎng)率。特別是隨著單層屋面系統(tǒng)的發(fā)展，研究開(kāi)發(fā)強(qiáng)度高且具有節(jié)能、環(huán)保效果的TPO防水卷材材料正在成為熱點(diǎn)課題[1]。

近年來(lái)，聚酯材料（PET）因具有龐大的使用量及較高的廢棄量而引起人們的高度重視，回收處理1萬(wàn)t r-PET塑料瓶，就等同節(jié)約石油5萬(wàn)t、降低3.75萬(wàn)t CO2排放量。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)效益或者從環(huán)境保護(hù)角度看，回收聚酯（r-PET）的再利用具有可觀的現(xiàn)實(shí)意義[2～6]。目前比較成熟的回收利用方法是生產(chǎn)纖維和塑料制品原料， 本論文采用R-PET纖維為增強(qiáng)填料，根據(jù)纖維增強(qiáng)機(jī)理設(shè)計(jì)復(fù)合材料增強(qiáng)體系，探究增強(qiáng)填料用量，增容劑種類及用量對(duì)TPO復(fù)合材料力學(xué)性能、硬度、尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、界面相容性的影響，本研究對(duì)環(huán)境保護(hù)和拓展R-PET的應(yīng)用范圍具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及助劑

主要原料與助劑見(jiàn)表1。

表1 原料與助劑

1.2 主要設(shè)備及儀器

主要設(shè)備與儀器見(jiàn)表2。

1.3 TPO增強(qiáng)復(fù)合材料的制備

將一定量的TPO、增容劑和R-PET短纖在雙輥開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行熔融混合，然后在平板硫化機(jī)上熱壓成型，冷卻后即可制得到R-PET增強(qiáng)TPO復(fù)合材料。

1.4 性能測(cè)試及分析

1.4.1 力學(xué)性能測(cè)試

參照GB1040—79標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速度50 mm/min；參照GB/T531—1999A對(duì)樣品進(jìn)行邵氏硬度測(cè)試，測(cè)試力為20 N。

1.4.2 尺寸穩(wěn)定性測(cè)試

按照GB/T328.13—2007進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性測(cè)試，將試樣放入80℃的鼓風(fēng)烘箱中，不得疊放，分別在此溫度下恒溫10 h、24 h，再測(cè)量長(zhǎng)度；試件尺寸為100 mm×100 mm。分別用游標(biāo)卡尺在試件各邊緣處的中間位置作為測(cè)試標(biāo)記點(diǎn)，到達(dá)測(cè)試時(shí)間以標(biāo)記點(diǎn)長(zhǎng)度為基準(zhǔn)測(cè)量其變化長(zhǎng)度并計(jì)算相應(yīng)尺寸變化率。

1.4.3 熱失重分析（TGA）

取質(zhì)量約為5～10 mg的干燥待測(cè)樣品，置于Ar氛圍中，以20℃/min的升溫速率由室溫升溫至600℃，觀察曲線并記錄數(shù)據(jù)。

1.4.4 掃描電子顯微鏡分析（SEM）

在測(cè)試前，將樣品表面進(jìn)行真空干燥和噴金處理。采用JSM-6460LV型（日本JEOL公司）掃描電子顯微鏡進(jìn)行 SEM 觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料拉伸性能影響

表3是R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料拉伸性能的影響，可以看出，與未添加R-PET短纖的純TPO材料相比，R-PET短纖的加入，對(duì)TPO復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率有較大影響。當(dāng)R-PET含量為5%時(shí)，TPO/R-PET復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.31 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到221.76%，與為添加體系相比，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率有所降低，說(shuō)明在為添加增容劑的TPO/R-PET復(fù)合體系中，R-PET短纖維與TPO的界面結(jié)合力較弱，當(dāng)復(fù)合材料受到外力時(shí)，R-PET纖維不能將應(yīng)力有效傳遞給樹(shù)脂基體，而是從界面發(fā)生斷裂，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸性能不僅沒(méi)有提高，反而均出現(xiàn)下降。

表3 R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料拉伸性能的影響

2.2 R-PET短纖用量對(duì)復(fù)合材料硬度影響

圖1 R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料硬度的影響

圖2是不同R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料硬度的影響?？梢钥闯?，隨著R-PET短纖用量的增加，TPO/R-PET復(fù)合材料的硬度不斷增加，當(dāng)R-PET短纖維用量超過(guò)5份時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)到17.8HC,比未添加的TPO材料的硬度提高了28%；當(dāng)R-PET的填充量超過(guò)7.5份，復(fù)合材料的硬度基本保持不變。

圖2 R-PET短纖用量對(duì)復(fù)合材料體系的尺寸變化率的影響

2.3 R-PET短纖用量對(duì)復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性影響

見(jiàn)表4 R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性的影響

表4 R-PET短纖用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性的影響

圖2和表5中是R-PET短纖用量對(duì)復(fù)合材料體系的尺寸變化率的影響?？梢钥闯觯?0 ℃烘箱中處理10 h時(shí)，復(fù)合材料的尺寸變化率先迅速升高，而后緩慢降低，當(dāng)R-PET短纖加入量為7.5%時(shí)，TPO/R-PET復(fù)合材料尺寸變化率最低，為0.34%，R-PET的填充量超過(guò)7.5份后，復(fù)合材料的尺寸變化率基本保持不變。在80 ℃烘箱中處理24 h時(shí)，R-PET短纖加入量為2.5%時(shí)達(dá)到加入R-PET短纖組分中的尺寸變化率達(dá)到最低值0.19%。相比于處理10 h的復(fù)合材料的尺寸變化率，處理24 h之后的復(fù)合材料尺寸變化率明顯低于處理10 h的復(fù)合材料的尺寸變化率。由此可見(jiàn)，隨著R-PET短纖維用量增加，TPO/R-PET復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性提高。

2.4 TG分析

圖3是R-PET短纖加入前后的TG曲線，由圖2可以看出，與未添加R-PET的復(fù)合材料相比，R-PET的加入，TPO/R-PET復(fù)合材料失重率基本保持不變，說(shuō)明對(duì)R-PET對(duì)TPO復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性影響不大。

圖3 R-PET短纖加入前后的TG曲線

2.5 增容劑用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

表5是增容劑LDPE-g-MAH用量對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的力學(xué)性能影響的數(shù)據(jù)表，可以看出，增容劑對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率影響較大，隨著LDPE-g-MAH用量的增加，TPO復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。當(dāng)LDPE-g-MAH的用量為6%時(shí)，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值4.85 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率也相應(yīng)達(dá)到最大值388.98%，繼續(xù)增加增容劑的用量，復(fù)合體系的拉伸性能稍有降低。說(shuō)明該體系中增容劑LDPE-g-MAH能夠起到良好的增容作用，使R-PET短纖與TPO樹(shù)脂基體界面間相互作用增強(qiáng)，當(dāng)復(fù)合材料受到拉伸應(yīng)力作用時(shí)，R-PET短纖起到骨架增強(qiáng)作用，R-PET短纖與樹(shù)脂基體共同抵抗外力作用，因而使復(fù)合材料的力學(xué)性能得到更好的提高。同時(shí)，增容劑的加入對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的硬度也有一定的影響，當(dāng)LDPE-g-MAH用量為7.5份時(shí)，TPO/R-PET復(fù)合材料的硬度達(dá)到19.7HC。

2.6 LDPE-g-MAH增容劑對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖4是不同LDPE-g-MAH增容劑用量下對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片，可以看出，增容劑LDPE-g-MAH的加入，對(duì)TPO與R-PET短纖維的界面相互作用影響較大，當(dāng)添加量較低時(shí)，界面相互作用較小，拉伸斷面從兩者的斷面脫開(kāi)，繼續(xù)增加增容劑的用量，界面相互作用增加，當(dāng)增容劑用量達(dá)到6份時(shí)，界面結(jié)合良好，拉伸斷面沒(méi)有看到從界面脫開(kāi)的現(xiàn)象。說(shuō)明LDPE-g-MAH增容劑能夠起到良好的增容作用。

表5 不同增容劑用量下TPO/R-PET復(fù)合材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）R-PET對(duì)TPO/R-PET復(fù)合材料的拉伸性能有較大影響。當(dāng)R-PET含量為5%時(shí)，TPO/R-P ET/PP-g-MAH復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.31 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到221.76%；

（2）R-PET短纖用量能夠提高TPO/R-PET復(fù)合材料的硬度，當(dāng)R-PET短纖維用量超過(guò)5份時(shí)，復(fù)合材料的硬度達(dá)到17.8HC，比未添加的TPO材料的硬度提高了28%。

（3）R-PET短纖用量對(duì)復(fù)合材料體系的尺寸變化率的影響較大，處理24 h的復(fù)合材料尺寸變化率明顯低于處理10 h的復(fù)合材料的尺寸變化率。

（4）當(dāng)LDPE-g-MAH為增容劑，用量為6份時(shí)，TPO/R-PET復(fù)合材料的力學(xué)性能有較大提高，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4.85 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率也相應(yīng)達(dá)到最大值388.98%。SEM分析表明，隨著LDPE-g-MAH份數(shù)增加，TPO與R-PET界面相互作用增強(qiáng)，具有較好的相容性。

圖4 不同增容劑用量下TPO/R-PET復(fù)合材料的SEM照片