高密度聚乙烯(HDPE)作为一种热塑性树脂，具有较好的耐化学稳定性以及耐酸碱性，已经被广泛用于建材、管道等领域[1-2]。然而，HDPE在通常情况下抗冲击性能较差并且具有较低的耐磨性能[3-4]，因此在一定限度上限制其在特定领域的应用，如舞蹈垫等体育器材方面。因此，需要对HDPE进行改性处理，从而提高其耐磨性能以及抗冲击强度。目前，对于HDPE的改性方式主要为通过不同的填料对HDPE进行改性[5]。惠冬雪等[6]通过加入不同防腐剂处理的玉米秸秆，制备HDPE基复合材料。结果表明：硼酸锌处理复合材料的冲击性能明显增强，当硼酸锌质量分数为2%，秸秆含量为50%，复合材料的冲击强度达到10.8 kJ/m2。高宇等[7]采用转矩流变仪混炼纳米碳酸钙/交联聚乙烯/高密度聚乙烯复合材料(nano-CaCO3/XLPE/HDPE)，并对复合材料的力学性能以及摩擦性能进行研究。结果表明：nano-CaCO3含量为7%时，复合材料的冲击强度提高18.3%，并且摩擦系数降低9.7%。尽管目前对提高HDPE的抗冲击强度以及摩擦性能已有大量研究，然而对于舞蹈器材用HDPE材料的研究还较少，因此需要对该类材料进行深入研究，从而扩大HDPE的应用领域。碳纤维(CF)具有较好的耐磨性能以及力学性能，并且广泛用于热塑性树脂填料[8]。研究表明，HDPE基体中添加一定量CF时，可以有效增强复合材料的力学性能以及耐磨性能，从而扩展HDPE的应用领域[9]。本实验在HDPE中加入CF，制备舞蹈垫用HDPE/CF复合材料，并对复合材料的力学性能以及耐磨性能进行研究。1实验部分1.1主要原料高密度聚乙烯(HDPE)，R4 150，美国科纳公司；碳纤维(CF)，平均直径4~8 μm，沈阳中恒复合材料有限公司；硬脂酸，分析纯，国药制药集团有限公司。1.2仪器与设备扫描电子显微镜(SEM)，SU8100，日本日立公司；微机控制万能试验机，CMT4104，美斯特工业系统（中国）有限公司；悬臂梁冲击试验机，TTDJ-50，苏州卓旭精密工业有限公司；摩擦磨损试验机，M-200A，北京纵横金鼎仪器设备厂；氧指数仪(LOI)，JF-3、垂直燃烧测试仪，CZF，南京江宁仪器厂。1.3样品制备表1为HDPE/CF复合材料的配方。将HDPE、CF在去离子水中清洗，放入60 ℃烘箱中干燥24 h。称取一定质量的HDPE、CF和硬脂酸加入自制模具中(50 mm×30 mm×30 mm)，加热至200 ℃，并在模具的正上方施加2.5 MPa压力，反应6 h，待其冷却至150 ℃时，继续加压至10 MPa，反应15 min，得到HDPE/CF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.T001表1HDPE/CF复合材料的配方Tab.1Formula of HDPE/CF composites样品HDPECF硬脂酸199.500.5299.00.50.5398.51.00.5498.01.50.5597.52.00.5%%1.4性能测试与表征SEM分析：材料经过液氮脆断，对断面喷金处理，观察断面形貌。拉伸性能测试：按ASTM D638—2003进行测试，样品尺寸长100 mm，宽度30 mm，拉伸速率10 mm/min。冲击性能测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，摆锤能量设置8 J，冲击速度3.8 m/s。摩擦性能测试：按GB/T 3960—2016进行测试，室温下，测试时间1 200 s。阻燃性能测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，样品尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。2结果与讨论2.1HDPE/CF复合材料的力学性能分析图1为不同HDPE/CF复合材料的拉伸强度和断裂伸长率。从图1可以看出，随着CF含量的增加，HDPE/CF复合材料的拉伸强度和断裂伸长率均先增大后下降。4号样的拉伸强度和断裂伸长率达到最大值，分别为31.6 MPa和204.6%，远高于纯HDPE的12.3 MPa和132.6%。这是由于CF具有较大长径比、较强的抗拉伸性能，当CF与HDPE进行复合，可以通过两者的界面结合有效抵抗一部分外界应力，从而有效增强复合材料的拉伸性能。此外，与4号样相比，5号样中加入较多的CF使复合材料的拉伸性能下降，由于5号样中CF过量，导致其与HDPE基体之间难以进行有效结合，从而使拉伸性能发生一定下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F001图1不同HDPE/CF复合材料的拉伸性能Fig.1Tensile properties of different HDPE/CF composites图2为不同HDPE/CF复合材料的冲击性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F002图2不同HDPE/CF复合材料的冲击性能Fig.2Impact properties of different HDPE/CF composites从图2可以看出，1号样~4号样中，随着CF含量的增加，HDPE/CF复合材料的冲击强度增加。而5号样与4号样相比冲击强度发生一定的下降。4号样呈现最佳的冲击强度，达到18.5 kJ/m2，相比1号样(12.6 kJ/m2)提高46.83%。原因可能是HDPE基体与CF之间的包覆较好，HDPE材料对CF的浸渍较充分，导致两者的界面结合处的范德华力与机械嵌合力越大[10-11]。而5号样中由于CF含量较高，部分CF与HDPE基体之间黏接较差，从而在受到外力之后界面处产生脱层现象，从而降低冲击强度。因此，在HDPE中加入一定量CF，可以有效提高复合材料的力学性能。当材料用作舞蹈垫，探究HDPE/CF复合材料的减振性能至关重要，减振性能采用阻尼系数进行表示，阻尼系数越大，减振性能就越大[12-13]。图3为不同HDPE/CF复合材料的减振性能。从图3可以看出，随着CF含量的增加，HDPE/CF复合材料的阻尼系数均先增大后下降，且4号样的减振性能最佳。4号样在拉伸过程和压缩过程的阻尼系数分别为0.066和0.416，相较1号样分别增加57.14%和16.85%。这是由于HDPE分子链与CF的表层之间的机械嵌合力，使一部分外界能量转化为热量，使材料内部的振动效应降低，从而阻尼系数增大。HDPE/CF复合材料在受到外力冲击时，可以有效地缓解振动，因此可以用作舞蹈垫材料。图3不同HDPE/CF复合材料的阻尼系数Fig.3Damping factors of different HDPE/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F3a1（a）拉伸-恢复过程10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F3a2（b）压缩-恢复过程2.2HDPE/CF复合材料的SEM分析通过对不同HDPE/CF复合材料的断面形貌进行分析，分析复合材料力学性能的变化原因。图4为1号、4号和5号样的断面SEM照片。图4不同HDPE/CF复合材料的断面SEM照片Fig.4SEM images of section of different HDPE/CF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F4a1（a）1号样10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F4a2（b）4号样10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F4a3（c）5号样从图4可以看出，1号样由于无CF的加入，因此呈现HDPE树脂的断面结构，断面较光滑。而在4号样中，可以明显看到CF嵌入HDPE基体中，与其进行混合，形成HDPE树脂包裹CF的结构。而在5号样中，由于CF含量较多，导致部分CF与HDPE基体之间混合不均匀，使部分CF团聚，从而在HDPE基体中形成较多裂缝，降低CF与HDPE基体之间的结合强度，从而导致5号样的力学性能低于4号样。2.3HDPE/CF复合材料的摩擦性能分析舞蹈垫在使用过程中，由于经常在地面进行摩擦，针对耐磨性能需要进行研究。图5为不同HDPE/CF复合材料的摩擦系数。从图5可以看出，4号样的平均摩擦系数最小，为0.072左右，而1号样的摩擦系数最大，为0.124左右。摩擦系数越大说明材料的耐磨性能就越低，加入CF后，可以有效提高复合材料的耐磨性能。这是由于CF具有较好的耐磨性，将其作为增强填料加入HDPE基体中，可以有效增强HDPE/CF复合材料的耐磨性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.F005图5不同HDPE/CF复合材料的摩擦系数Fig.5Friction coefficient of different HDPE/CF composites表2为不同HDPE/CF复合材料经过1 200 s的摩擦实验后力学性能的变化。从表2可以看出，CF可以有效降低摩擦过程对HDPE/CF力学性能的影响。由于4号样具有最佳的摩擦性能，因此复合材料的力学性能下降率较低，拉伸强度和冲击强度的下降率分别为0.324%和0.121%，说明耐磨性能好的复合材料受摩擦时，其力学性能的影响程度较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.T002表2不同HDPE/CF复合材料摩擦过后Tab.2Mechanical properties decline of different HDPE/CF composites after friction样品拉伸强度下降率冲击强度下降率10.5830.18620.5320.16330.4630.15240.3240.12150.3950.134%力学性能下降率%2.4HDPE/CF复合材料的阻燃性能分析HDPE材料属于易燃材料，因此需要考虑其阻燃性能。表3为不同HDPE/CF复合材料的LOI值和燃烧等级。从表3可以看出，随着CF含量的增加，不同复合材料的LOI值先增加后降低。这是因为CF不可燃，将其加入HDPE基体中可以有效提高其阻燃性能[14]。4号样表现最佳的阻燃性能，其LOI值为25.83%，并且在燃烧过程中不发生滴落，燃烧等级达到V-1级。而5号样由于CF含量较多且在HDPE基体中分布不均匀，产生团聚现象，导致HDPE/CF复合材料内部的均匀性变差，使其阻燃性能发生下降。整体分析，CF的加入可以有效增强HDPE复合材料的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.006.T003表3不同HDPE/CF复合材料的LOI值和燃烧等级Tab.3LOI values and combustion grades of different HDPE/CF composites样品LOI值/%滴落状态燃烧等级118.23滴落V-2219.68滴落V-2321.36不滴落V-1425.83不滴落V-1522.32不滴落V-13结论（1）采用HDPE作为基体，加入CF作为增强相制备不同CF含量的HDPE/CF复合材料。由于CF具有高强度和高耐热性，使HDPE复合材料具有较强的力学性能和阻燃性能。随着CF含量的增加，HDPE/CF复合材料的力学性能和阻燃性能均先增加而后下降，并且4号样达到最佳值。（2）4号样具有最佳的力学性能，其拉伸强度和冲击强度分别为31.6 MPa和18.5 kJ/m2，摩擦系数为0.072，具有最佳的摩擦性能，并且经过摩擦实验后其力学性能下降较低。（3）4号样具有较好的减振性能，能够有效地对人体进行缓冲。此外，4号样的LOI值为25.83%，说明其具有较好的阻燃性能。