聚氯乙烯(PVC)具有较好的力学性能、耐老化以及成本低等优点，已经被广泛用于建筑排水管领域[1-3]。然而，PVC在低温环境下抗冲击性能较差，在寒冷地区的应用受到一定的限制。为了改良PVC的低温抗冲击性能，研究者们采用不同的手段对其进行填充改性，增强其低温抗冲击性能。洪仰婉等[4]采用乙烯-醋酸乙烯酯弹性体材料(EVM)，制备耐低温冲击的PVC-EVM复合材料。结果表明：复合材料的拉伸强度从9.85 MPa提升至14.84 MPa，并且其低温脆断温度达到-57 ℃。李雅鹏等[5]采用物理共混的方法，分别选用2种聚酯型和聚醚型热塑性聚氨酯弹性体(TPU)对PVC进行共混改性。拜耳60A（聚醚型）对PVC的改性效果最好，复合材料的低温冲击强度达到最佳(36.5 kJ/m2)。尽管对PVC复合材料的低温抗冲击性能进行充分的研究，然而对PVC在力学强度方面的提升不明显，难以满足其在特定领域如建筑管材方面的应用（拉伸强度≥40 MPa）。开发一种具有较好的低温抗冲击性能和高力学强度的PVC管材可以有效地扩展其应用领域。芭蕉树内部含有纤维素，纤维素具有较好的力学强度、耐低温性能以及耐腐蚀性能[6]。Subramanya等[7]研究表明，在聚合物基体中添加芭蕉树纤维(BF)，可以有效增强材料的力学性能以及阻燃性能，获得性能优异的复合材料。本实验将BF与PVC进行复合，得到新型PVC/BF复合管材，并对复合材料的力学性能、耐低温性能以及耐腐蚀性能进行研究。1实验部分1.1主要原料芭蕉树，市售，产地海南；聚氯乙烯粉末(PVC)，YT-800，余姚市凯鸽塑化有限公司；偶联剂168，B3025A，广州通点化工有限公司；氢氧化钠、次氯酸钠、乙酸，分析纯，国药制药集团有限公司。1.2仪器与设备双螺杆挤出机，TSE240A，南京瑞亚共聚物制备有限公司；注射机，EM120-V，震德塑料机械有限公司；热重分析仪(TG)，ZRT-B，北京京仪高科仪器有限公司；万能力学性能试验机，WE-300B，济南力领试验机有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM 5900LV，日本电子株式会社。1.3样品制备1.3.1BF的提取根据文献[8-10]中的方法进行提取。将500 g芭蕉树茎进行破碎，加入2 L烧杯中，加入1.5 L水，再加入40 g的NaOH，在70 ℃下水浴加热6 h得到黑色胶状物。将制得的黑色胶状物清洗5次。将黑色纤维与1 L水进行混合，加入4 g次氯酸钠和10 mL乙酸，70 ℃加热搅拌反应6 h，得到白色纤维(BF)。将BF利用水洗净进行冷冻干燥，得到白色絮状的BF。1.3.2PVC/BF复合材料的制备表1为PVC/BF复合材料的配方。根据表1配方将原材料加入双螺杆挤出机中进行挤出造粒，挤出温度为120 ℃。将得到的粒料在注射机中进行注塑，注射温度为105 ℃，时间5 min，自然冷却得到PVC/BF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.T001表1PVC/BF复合材料的配方Tab.1Formula of PVC/BF composites样品PVCBF偶联剂1980229622394424926259082%%1.4性能测试与表征SEM分析：样品进行脆断，喷金后测试，加速电压15 kV。TG分析：N2气氛，温度区间25~700 ℃，升温速率5 ℃/min。拉伸性能测试：按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率20 mm/min。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率10 mm/min。耐低温性能测试：将样品放置在不同的低温环境下48 h后，采用落锤冲击实验测试其耐冲击强度，落锤质量为1.5 kg，落下高度为2 m。抗腐蚀性能测试：将材料分别放置在浓度为0.3 mol/L的硫酸、氢氧化钠和氯化钠溶液中浸泡7 d，测试其力学性能。耐生物腐蚀性能测试：将样品埋入泥土，样品表面泥土厚度为5 cm，在土中保留24 d后取出，对其拉伸强度进行测试。2结果与讨论2.1PVC/BF复合材料的热稳定性分析图1为不同PVC/BF复合材料的TG曲线。从图1可以看出，随着BF含量的增加，复合材料的热稳定性逐渐增强。1号样（纯PVC）的最大热分解温度为291 ℃，残炭率仅为4.6%。而5号样的热稳定性最佳，其最大热分解温度达到553 ℃，残炭率为16.3%。结果说明，BF的加入可以有效提高PVC复合材料的热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F001图1不同PVC/BF复合材料的TG曲线Fig.1TG curves of different PVC/BF composites2.2PVC/BF复合材料的力学性能分析建筑管材中材料的力学强度在使用过程中较重要，对PVC/BF复合材料的拉伸性能、弯曲性能以及低温抗冲击性能进行测试。图2为不同PVC/BF复合材料的力学性能。从图2a可以看出，随着BF含量的增加，PVC/BF复合材料的拉伸强度先增加后下降，1号样的拉伸强度为33.8 MPa，4号样的拉伸强度达到最大值为43.2 MPa，与1号样相比增长27.8%。由于BF表面具有的一定粗糙度，可以有效地增强与PVC基体的界面结合力，受外界应力时，BF可以充当“钢筋”的作用，起增韧作用。而5号样的拉伸强度发生下降，由于BF含量较多，难以与PVC基体发生良好的共混，导致PVC/BF复合材料的拉伸性能下降。根据排水用硬质PVC管材拉伸强度≥40 MPa的性能指标[4]，4号样和5号样的拉伸强度可以有效地满足该标准。图2不同PVC/BF复合材料的力学性能Fig.2Mechanical properties of different PVC/BF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F2a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F2a2从图2b可以看出，随着BF含量的增加，PVC/BF复合材料的弯曲强度先增加后下降，且4号样的弯曲强度达到最大值43.1 MPa，相比1号样(31.6 MPa)增加36.4%，由于BF具有较大的长径比，与PVC复合可以有效缓解弯曲应力，增强复合材料的弯曲性能[11]。而5号样的弯曲强度相比4号样发生下降，为41.6 MPa。拉伸强度和弯曲强度测试结果表明，4号样具有优异的力学性能，可以满足建筑管材的应用需求。表2为PVC/BF复合材料的低温抗冲击性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.T002表2不同PVC/BF复合材料的低温抗冲击性能Tab.2Low temperature impact resistance of different PVC/BF composites样品不同温度冲击下试样完整次数-15 ℃-5 ℃015 ℃25 ℃135791027999103899101041010101010589101010从表2可以看出，4号样在不同的温度区间内均表现出较好的耐冲击性，在不同的温度下10次落锤冲击后均保留试样的完整性。由于BF具有较好的低温稳定性，在低温环境下仍保持较好的力学强度[12]。而PVC作为热塑性树脂，在低温下呈现脆性，因此1号样的耐低温冲击性能最差，在-15 ℃下仅保持3次的完整性。结果表明，BF的加入可以有效增强PVC复合材料的低温耐冲击强度。而5号样中由于BF与PVC基体之间结合较差，导致内部出现较多的缝隙，缝隙中残留的水蒸气在低温条件下凝结为固态冰，导致缝隙继续扩大，使复合材料耐冲击性能下降。2.3PVC/BF复合材料的SEM分析图3为BF、PVC以及PVC/BF复合材料样品的SEM照片。从图3可以看出，BF表面光滑，其直径为10 μm左右。纯PVC的质地均一，无其他杂相。相比5号样，4号样中BF与PVC基体之间结合较好，5号样中出现较多的团聚以及较大裂缝，与力学性能结果相符合。结果表明，过量的BF影响其在PVC基体中的分散，从而降低其力学性能。并且5号样中较多裂缝储存的水蒸气，在低温环境下凝结为固态的冰，从而使裂缝增大，导致其耐低温性能降低。图3BF、PVC、PVC/BF复合材料的SEM照片Fig.3SEM images of BF， PVC and PVC/BF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F3a1（a）BF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F3a2（b）1号样10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F3a3（c）4号样10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F3a4（d）5号样2.4PVC/BF复合材料的耐腐蚀性能分析4号样的力学性能最佳，可以有效地满足建筑管材的应用。为了验证4号样在不同应用领域下的性能变化，对其在不同液体环境下的抗腐蚀性能进行测试，图4为测试结果。从图4可以看出，不同腐蚀性液体的浸泡下，4号样的拉伸强度以及弯曲强度未发生明显下降，在酸和碱环境中的拉伸强度分别为40.3 MPa和42.4 MPa，在酸和碱中的弯曲强度分别为41.6 MPa和42.7 MPa，相比初始拉伸强度(43.2 MPa)和弯曲强度(43.1 MPa)未发生明显改变，结果表明，PVC/BF复合材料可以在不同的液体环境中使用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.F004图44号样在不同环境下的耐腐蚀性能Fig.4Corrosion resistance of sample 4 in different environmentsBF作为一种天然生物原材料，在使用过程中需要考虑生物分解对其性能的影响，因此对4号样的耐生物腐蚀性能进行研究，并采用1号样作为对比，表3为测试结果。从表3可以看出，经过生物腐蚀实验，1号样和4号样的拉伸性能均发生一定下降，分别为32.5 MPa和40.1 MPa。并且在两种样品表面均未发现明显的蛀蚀面，根据电线电缆白蚁试验方法(GB/T 2951.38—1986)，其评级为1级，4号样的抗生物腐蚀性能并未发生明显降低，可以有效应用于一般环境下建筑管材。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.015.T003表3不同PVC/BF复合材料的抗生物腐蚀性能Tab.3Biological corrosion resistance of different PVC/BF composites样品拉伸性能/MPa蛀蚀形貌描述评级1号32.5未见明显蛀蚀面14号40.1未见明显蛀蚀面13结论（1）通过在天然芭蕉树干中提取BF，并将其作为增强相与PVC共混制备PVC/BF复合材料，由于BF具有较好的力学强度和耐低温性能，使PVC/BF复合材料的综合性能优于纯PVC。（2）BF含量为6%时，4号样具有最佳的综合性能，其拉伸强度和弯曲强度分别为43.2 MPa和43.1 MPa，满足排水用硬质PVC管材中规定的性能指标。此外，4号样具有较好的耐低温冲击性能，在不同的低温环境下，表现较好的抗冲击性。（3）4号样具有较好的耐腐蚀性能，不同的腐蚀性液体和生物腐蚀后，其拉伸强度均未发生明显下降。因此，4号样可以有效用于建筑管材。