聚氯乙烯(PVC)作为一种产量大、用途广泛的通用塑料材料，具有原料来源广泛、价格低廉、易于加工等特点[1-2]。但是PVC单独作为结构承重材料时，其存在热稳定性较差、阻燃性较低、耐久性以及力学性能较差的特点，限制其在建筑、工业等领域的应用[3]。为了拓宽PVC的应用领域，研究者们采用了较多的途径对其进行研究改性，如添加增强填料或功能填料等[4]。聚苯醚(PPO)作为一种具有较高热稳定性的热塑性树脂，其较好的耐热性以及阻燃性能使其在与其他塑料材料进行共混时可以有效提高复合材料的阻燃性能[5-6]。白红霞等[7]通过将PVC与PPO进行共混得到了具有较高阻燃性和热稳定性的复合工程材料，结果表明：其极限氧指数值(LOI)达到42.1%，并且具有较好的耐化学品腐蚀性。何栋等[8]通过PPO与PVC共混发泡的方法，研究PVC/PPO复合材料的热性能，结果表明：PPO的加入可以有效改善复合材料的耐热性能，并可以有效降低其吸水性。针对PPO对PVC热稳定性能的改善研究较多，对力学性能的改善研究较少。因此，对PVC/PPO共混物的力学性能进行改善，对提高PVC材料在建筑管材领域的应用具有重要意义。碳纤维(CF)具有较高的力学强度，可以有效地改善复合材料的力学性能[9]。本实验采用CF掺杂PVC/PPO复合材料，制备PVC/PPO/CF复合材料，并对其力学性能、热稳定性、阻燃性能以及耐久性能进行研究。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，SG-5，平均聚合度为1 200、聚苯醚(PPO)，化学纯，西安化工厂；硬脂酸，化学纯，天津市百世化工试剂有限公司；平纹布碳纤维(CF)，工业级，吉化股份有限公司；邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，化学纯，天津市科密欧化学试剂开发中心。1.2仪器与设备双辊筒塑炼机，SK-160B，上海橡胶机械厂；平板硫化机，QLB-350，无锡市第一橡胶机械设备厂；老化试验箱，401，上海市实验仪器厂；UL-94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，苏州菲尼克斯仪器有限公司；锥形量热仪，FT-5，英国防火测试技术公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-6360LV，日本JEOL公司；万能电子试验机，CMT-5、冲击试验机，ZBC 1251-C，美斯特工业系统有限公司；热重分析仪(TG)，TGA SDTA851，瑞士梅特勒托利多公司；红外光谱仪(FTIR)，Nicolet iS5，赛默飞世尔科技（中国）有限公司。1.3样品制备表1为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的配方。PPO的比例基于文献[7]，原料在80 ℃下干燥24 h，按表1比例称取原料，在高速混合机下混合均匀。在双辊筒塑炼机中进行热炼，温度设置为175 ℃。将样品放置在平板硫化机，硫化时间15 min，温度180 ℃，压力12 MPa，得到PVC/PPO和PVC/PPO/CF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.T001表1PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的配方Tab.1Formula of PVC/PPO and differentPVC/PPO/CF composites样品PVCPPOCF硬脂酸DOP1881001.50.52861021.50.53841041.50.54821061.50.55801081.50.5%%1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.2—2006进行测试，样品尺寸为120 mm×8 mm×2 mm，拉伸速度为50 mm/min。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，样品厚度为4 mm。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率20 mm/min，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。TG分析：N2气氛，温度范围25~725 ℃，升温速率10 ℃/min。阻燃性能测试：按GB/T 8332—2008进行测试，样品尺寸100 mm×10 mm×10 mm。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流为15 kW/m2，样品尺寸100 mm×10 mm×10 mm。老化试验：老化时间72 h、温度为95 ℃、紫外光辐照功率125 W，老化结束待自然冷却至室温，测试力学性能。2结果与讨论2.1SEM分析图1为PVC/PPO和PVC/PPO/CF复合材料的SEM照片。从图1可以看出，复合材料表面出现凹凸状的结构，可能是PPO与PVC混合过程中产生气泡引起[7,10]。随着CF含量的增加，CF与PVC/PPO相的相容性减弱。5号样中一部分CF暴露在基体表面，使基体产生一定破裂，出现明显的脱黏现象。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F001图1PVC/PPO和PVC/PPO/CF复合材料的SEM照片Fig.1The SEM images of PVC/PPO and PVC/PPO/CF composites2.2热稳定性分析图2为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的TG曲线。从图2可以看出，由于CF具有较好的热稳定性，随着CF含量逐渐增加，PVC/PPO/CF的热稳定性逐渐增强。1号样的最大质量损失温度为525 ℃，残炭率为12.6%。而5号样中的热稳定性最佳，其最大质量损失温度573 ℃，残炭率为19.4%。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F002图2PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的TG曲线Fig.2The TG curves of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites2.3阻燃性能分析图3为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的阻燃性能。从图3a可以看出，1号样的LOI值为45.6%。加入CF后，复合材料LOI值随着CF含量的增大先增大后降低，4号样达到最大值，为50.1%。从图3b可以看出，所有样品的热释放速率(HRR)均表现相同的趋势。1号样中热释放速率峰值(pHRR)最高，为548.3 kW/m2，说明其燃烧较剧烈，释放热量较快。4号样中pHRR为396.3 kW/m2，说明其燃烧过程较缓慢。综合分析，4号样具有较好的阻燃性能。图3PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的阻燃性能Fig.3The flame retardancy of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F3a1（a）LOI值10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F3a2（b）HRR2.4力学性能分析为了解CF对PVC/PPO复合材料的增强效果，对不同比例的PVC/PPO/CF复合材料的拉伸性能和冲击性能进行测试。图4为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。从图4可以看出，随着CF含量的增加，PVC/PPO/CF的拉伸性能和断裂伸长率先增加后降低，4号样中达到最大值，分别为71.36 MPa和156.32%，相比于1号样分别增加18.11%和51.3%，说明CF能够提高PVC/PPO的拉伸性能。根据纤维增强原理，CF与PVC/PPO之间的界面结合作用，使样品中产生的力传递至CF，使外力被有效分解从而增强复合材料拉伸性能[11]。而5号样中CF含量较大，拉伸强度发生下降，这是由于CF含量较多，在PVC/PPO中之间的分散较差，导致界面结合效应较差，并且一部分CF发生脱落。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F004图4PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的拉伸性能Fig.4Tensile properties of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites图5为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的冲击强度。从图5可以看出，随着CF含量的增加，PVC/PPO/CF的冲击强度先增加后降低，4号样冲击强度增至15.6 MPa，与1号样相比增加24.8%。结果表明CF在PVC/PPO/CF中产生较多纵向沟槽，并且沟槽的宽度和长度不一致，使样品的表面能增加，增加CF与基体之间的界面结合力，从而使其在受到冲击外力时可以有效吸收能量，因此冲击强度增强[12]。5号样中由于CF与基体之间产生脱黏现象，因此复合材料冲击强度下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F005图5PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的冲击强度Fig.5Impact strength of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites2.5耐久性分析由于建筑管材使用环境复杂，受阳光、雨水侵蚀，降低其力学性能。为评估建筑管材的耐久性，对复合材料在高温紫外老化的力学性能进行测试。表2为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料老化后力学性能变化。从表2可以看出，PVC/PPO/CF复合材料的力学性能下降率均低于纯PVC/PPO样品，这是由于CF具有较好的化学稳定性，能够在高温和紫外条件下表现出较好的力学稳定性。在所有的样品中，4号样的力学性能下降率最低，其拉伸强度下降率与冲击强度下降率分别为7.3%和10.3%，说明其在实际应用中，可以有效地抵抗紫外以及高温对其性能产生的不良影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.T002表2PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料老化后力学性能变化Tab.2Mechanical properties change of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites after aging样品拉伸强度下降率冲击强度下降率112.618.4210.314.239.612.547.310.359.813.1%%除了日照高温的腐蚀作用，不同液体对样品可能存在腐蚀老化作用，因此考察不同样品对水的润湿性。图6为PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料接触角。从图6可以看出，所有样品的水接触角均超过90°，说明所有样品均表现疏水性。1号样的接触角最大，具有较强的疏水性。而加入CF后，由于CF表面存在的少量含氧基团会降低其疏水性，因此随着CF含量的增加，复合材料接触角下降。5号样接触角最小，为92°，由于5号样中大量的CF暴露在表面。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.02.012.F006图6PVC/PPO和不同PVC/PPO/CF复合材料的接触角Fig.6Water contact angle of PVC/PPO and different PVC/PPO/CF composites3结论（1）通过在PVC/PPO添加CF制备建筑管材用PVC/PPO/CF复合材料，CF可以有效吸收基体中的能量，4号样品表现最佳的拉伸性能和冲击强度，分别达到71.36 MPa和15.6 MPa。（2）CF在PVC/PPO/CF能够均匀分布，使复合材料具有较好的热稳定性。4号样的LOI值最高(50.1%)，并且HRR较低，具有较好的阻燃性能。（3）4号样在紫外高温下，拉伸强度和冲击强度下降率最低，分别为7.3%和10.3%，并具有较好的疏水性，可以有效抵抗液体环境的腐蚀。