預(yù)處理工藝對(duì)回收滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性聚丙烯力學(xué)性能影響

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(xué)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(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，浙江寧波 315800； 3.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(lái)越受到人們的關(guān)注，很多學(xué)者對(duì)PP及回收材料開(kāi)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?、加工及高強(qiáng)度、高模量等力學(xué)性能方面均具有很多優(yōu)點(diǎn)[3–5]，與PP材料具有很好的互補(bǔ)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(jìn)程的加快，錦綸／氨綸作為通用材料，使用量也越來(lái)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(lái)的環(huán)境問(wèn)題也不容忽視，因此，研究滌綸／錦綸／氨綸等混合纖維回收問(wèn)題，比單獨(dú)研究滌綸回收工藝具有更強(qiáng)的實(shí)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(dǎo)致制備的復(fù)合材料力學(xué)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(jìn)而利用滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP制備新型復(fù)合材料，具有重要的理論與實(shí)際意義。

筆者在總結(jié)絲狀纖維改性技術(shù)[13–17]以及預(yù)處理工藝[18–19]基礎(chǔ)上，分別采用密煉及團(tuán)粒預(yù)處理工藝，以馬來(lái)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(fù)合材料，考察了密煉及團(tuán)粒預(yù)處理工藝對(duì)制備的復(fù)合材料力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與密煉預(yù)處理工藝相比，團(tuán)粒預(yù)處理工藝優(yōu)勢(shì)明顯。

1 實(shí)驗(yàn)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(jī)：SHJ–20型，南京杰恩特機(jī)電有限公司；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：CMT6104型，深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；

電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：DHG–9203A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

注塑機(jī)：HCF100–W3型，寧波明和機(jī)械制造有限公司；

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

團(tuán)粒機(jī)：HS160型，張家港市五合機(jī)械有限公司；

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

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

1.3 材料預(yù)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(yù)處理工藝。

滌綸／錦綸／氨綸混合纖維改性PP復(fù)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(jī)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(fù)合材料配方 %

(2)團(tuán)粒預(yù)處理工藝。

將干燥好的滌綸／錦綸／氨綸混合纖維置于團(tuán)粒機(jī)內(nèi)，在150℃下團(tuán)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(guò)雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，擠出機(jī)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(jī)頭溫度240℃，熔體溫度239℃，熔體壓力–0.2 MPa，主機(jī)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(jī)注塑成測(cè)試試樣，注塑條件設(shè)置如下：注塑溫度210℃，一級(jí)注塑行程15 mm，一級(jí)注塑壓力1.5 MPa，一級(jí)注塑速度50%，一級(jí)保壓時(shí)間1.0 s，一級(jí)保壓壓力5 MPa，一級(jí)保壓速度40%。

1.5 性能測(cè)試

拉伸性能按GB／T 1040.1–2018測(cè)試，采用Ⅱ型試樣，試驗(yàn)速度為5 mm／min；

彎曲性能按GB／T 9341–2000測(cè)試，試驗(yàn)速度為5 mm／min；

缺口沖擊強(qiáng)度按GB／T 1843–2008測(cè)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(dǎo)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(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

(1)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)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(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

圖2 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度

從圖1可以看出，采用團(tuán)粒預(yù)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(fù)合材料拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，為20.74 MPa；采用密煉工藝制備的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度較小，在17 MPa左右波動(dòng)。

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(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，為34.53 MPa；采用密煉預(yù)處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度逐漸增大，其彎曲強(qiáng)度最大值為31.27 MPa，明顯小于團(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料。

采用密煉預(yù)處理工藝，復(fù)合材料未定向取向，熔體流動(dòng)性差，纖維分布不均勻，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能[18]；采用團(tuán)粒預(yù)處理工藝，滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量低于50%時(shí)，可能由于化纖材料具有較高的強(qiáng)度并且能均勻分散在PP基體中充當(dāng)骨架作用[18]，因此材料的力學(xué)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(guò)程中的纖維斷裂或者注塑過(guò)程中熔體流動(dòng)性變差，導(dǎo)致樣品內(nèi)部纖維分布不均勻，應(yīng)力集中，進(jìn)而降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能[20]。

(2)缺口沖擊強(qiáng)度。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度

從圖3可以看出，采用密煉預(yù)處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度逐漸減小，其缺口沖擊強(qiáng)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(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度，這與文獻(xiàn)[18]的結(jié)果一致。采用團(tuán)粒預(yù)處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為40%時(shí)，復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值，為10.81 kJ／m2。這可能是因?yàn)殡S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(lái)越難于均勻分散[15]以及復(fù)合材料受沖擊過(guò)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(zhǎng)率。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)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(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為50%時(shí)，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，為16.01%；采用密煉預(yù)處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量的增加，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，其斷裂伸長(zhǎng)率均小于5%。結(jié)果表明，采用團(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率明顯優(yōu)于密煉預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料。

圖4 不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率

(4)彎曲彈性模量。

不同滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量復(fù)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(fù)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(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料的彎曲彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為60%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲彈性模量達(dá)到最大值，為1 544.11 MPa。采用密煉預(yù)處理工藝，隨著滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量逐漸增加，復(fù)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(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料的彎曲彈性模量。

2.2 復(fù)合材料的斷面微觀結(jié)構(gòu)分析

當(dāng)滌綸／錦綸／氨綸混合纖維含量為60%時(shí)，不同預(yù)處理工藝制備復(fù)合材料斷面的SEM照片如圖6所示。

圖6 不同預(yù)處理工藝制備復(fù)合材料斷面的SEM照片

由圖6可以看出，采用密煉預(yù)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(tuán)粒預(yù)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(duì)較少。比較團(tuán)粒與密煉兩種預(yù)處理工藝可知，團(tuán)粒預(yù)處理工藝制備的復(fù)合材料斷面僅有極少量纖維被拔出，表明采用團(tuán)粒預(yù)處理工藝，纖維與PP基體之間結(jié)合比較牢固，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

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