聚乙烯(PE)具有较高的抗冲击性能以及耐化学腐蚀性，广泛用于建筑材料[1-2]。然而，日常使用中，受雨水、日照影响，PE容易老化。并且PE具有较低的抗压强度和阻燃性能，限制其在特定区域中的使用，如建筑层压板[3-4]。因此需要对其力学强度以及阻燃性能进行改性提高。聚丙烯纤维(PPF)具有较低的密度、优异的耐化学腐蚀性和耐老化性能，广泛用于工业生产与日常生活[5-6]。然而，PPF难以降解，采用绿色环保的方式处理废弃PPF成为目前的研究热点。根据纤维增强原理，PPF加入PE基体中可以起增韧作用，从而明显增强PE的抗拉强度[7]。并且PPF具有优异的耐老化性能，使PE呈现较好的抗老化性。滑石粉(Talc)是一种层状材料，与高分子材料进行混融，在燃烧过程中可以有效隔绝可燃气体，产生有效阻燃抑烟效果。同时，Talc可以与树脂之间形成氢键，有效提高材料的力学性能[8]。本实验分别将PPF与Talc单独和混合作为填料加入PE中进行共混，得到PE/Talc、PE/PPF和PE/Talc/PPF复合材料，并对其力学强度、阻燃性能以及流动性能进行研究。1实验部分1.1主要原料聚丙烯纤维(PPF)，085，茂名实华东成华工有限公司；滑石粉(Talc)，1500目，佛山市顺德区梅林化工有限公司；聚乙烯(PE)，M-2，北京助剂二厂；抗氧化剂，1330，北京化工三厂生产。1.2仪器与设备微机控制万能试验机，CMT4104，美斯特工业系统有限公司；悬臂梁冲击试验机，TTDJ-50，苏州卓旭精密工业有限公司；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PE/Talc、PE/PPF和PE/Talc/PPF复合材料的配方。按表1配方称取烘干的PPF、Talc、PE以及抗氧化剂进行混合，制备PE/Talc/PPF复合材料。不添加PPF或Talc的情况下，分别制备PE/Talc、PE/PPF复合材料。采用双螺杆挤出机熔融挤出得到粒料，熔融温度为135 ℃。干燥粒料在注射机中进行注塑，形成标准样条，注射温度120 ℃。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.T001表1PE/Talc、PE/PPF和PE/Talc/PPF复合材料的配方Tab.1Formula of PE/Talc， PE/PPF and PE/Talc/PPF composite样品PETalcPPF抗氧化剂1990012942.52.513895.05.014847.57.5157910.010.016990—17945.0—188910.0—198415.0—1107920.0—11199—011294—5.011389—10.011484—15.011579—20.01%%1.4性能测试与表征拉伸性能测试：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。LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，样品尺寸50 mm×50 mm×50 mm。熔体流动速率(MFR)测试：按GB/T 3682.1—2018进行测试，温度230 ℃，负荷质量2.16 kg。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2008进行测试，热流20 kW/m2。2结果与讨论2.1复合材料的熔体流动性图1为不同PE复合材料的MFR值。从图1可以看出，单独添加一种填料(Talc或PPF)或Talc与PPF的混合物，填料含量较低时(10%)，复合材料的熔体流动性均下降。当填料含量≥10%，复合材料的熔体流动性先升高后下降，并且填料含量为15%时，复合材料的熔体流动性达到最佳。此外，PE/Talc复合材料的熔体流动性优于PE/PPF复合材料，由于PPF呈现纤维状结构，在一定限度上阻碍PE熔体流动[9]。而Talc是层状结构，对PE熔体的流动性影响较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F001图1不同PE复合材料的MFR值Fig.1MFR value of different PE composite2.2复合材料的力学性能图2为不同PE复合材料的拉伸强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F002图2不同PE复合材料的拉伸强度Fig.2Tensile strength of different PE composite从图2可以看出，Talc和PPF单独或混合加入时，复合材料的拉伸强度均随着填料含量的增加而增强。填料相同时，PE/Talc的拉伸强度低于PE/PPF和PE/Talc/PPF，由于Talc是层状结构，使其受外力时不易与PE基体进行有效结合。而PPF与PE基体之间有效结合，并且PPF与PE之间形成更强的界面结合力，因此呈现优异的拉伸强度[10-11]。PE/Talc/PPF复合材料中，Talc和PPF之间的协同作用，使PE/Talc/PPF的拉伸强度高于PE/PPF和PE/Talc。填料含量为20%时，PE/Talc/PPF的拉伸强度达到最大值60.15 MPa。填料含量为15%时，PE/Talc/PPF复合材料的拉伸强度为59.25 MPa，与填料含量20%的PE/Talc/PPF拉伸强度相差不大，这是由于填料含量过高，部分填料难以在PE基体之间分散均匀。图3为不同PE复合材料的抗压强度。从图3可以看出，随着填料含量的增加，不同PE复合材料的抗压强度均提高，PE/Talc的抗压强度明显高于PE/PPF。由于Talc具有较大的片状结构，可以有效分解PE基体中部分应力。而PE/Talc/PPF复合材料中，PPF与Talc的协同作用使抗压强度优于单一填料的复合材料，由于PE/Talc/PPF中外界应力可以通过PPF有效传递至Talc，使应力得到有效缓解，从而使其抗压强度达到最佳。填料含量为20%时，PE/Talc/PPF复合材料的抗压强度最大，为37.25 MPa，与填料含量为15%时的抗压强度(36.71%)相差较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F003图3不同PE复合材料的抗压强度Fig.3The compressive strength of different PE composite图4为不同PE复合材料的弯曲强度。从图4可以看出，填料含量为20%时，PE/Talc/PPF复合材料弯曲强度最大，为116.35 MPa，但是与填料含量为15%的PE/Talc/PPF复合材料的弯曲强度(115.43 MPa)相比，未发生明显增强。这是由于PPF具有较高长径比，其在PE基体中起“桥梁”作用，从而可以有效缓解弯曲过程中的应力作用。而Talc的尺寸较短对于应力的传递较差。PE/Talc/PPF复合材料具有优异的力学强度，可以有效用于建筑板材。基于成本最低原则，可选择填料含量为15%的PE/Talc/PPF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F004图4不同PE复合材料的弯曲强度Fig.4Bending strength of different PE composite2.3复合材料的阻燃性能由于PE/Talc/PPF复合材料具有最佳的力学性能，因此仅对PE/Talc/PPF复合材料阻燃性能进行测试，图5为测试结果。从图5可以看出，随着填料含量的增加，复合材料的LOI值先逐渐增加后降低。填料含量15%时，PE/Talc/PPF达到最大值(31.3%)。Talc可以有效阻止燃烧蔓延，并且其受热分解产生的氧化物对热量和可燃物之间具有物理阻隔作用，从而有效增强其LOI值。填料含量20%时，PE/Talc/PPF复合材料的LOI值下降，由于过多的填料导致片层Talc与PE基体之间结合性较差，在PE基体中产生一定的空隙，导致在燃烧过程中促进氧气流通，使复合材料的LOI值下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F005图5PE/Talc/PPF复合材料的LOI值Fig.5LOI value of PE/Talc/PPF composite2.4复合材料的燃烧性能图6为不同PE/Talc/PPF复合材料的热释放速率(HRR)、总放热量(THR)、总产烟量(TSP)曲线。从图6a可以看出，1号样燃烧情况较剧烈，HRR在180 s达到热释放速率峰值(PHRR)，并且其PHRR在所有样品中最高，为410.6 kW/m2。而加入Talc/PPF，相较1号样，2号样~5号样的PHRR均下降，并且达到PHRR的时间延长。由于Talc可以有效阻止燃烧蔓延，并且其受热分解产生的氧化物，可以阻隔热量。4号样的PHRR值最低，为262.7 kW/m2。研究表明Talc和PPF协同作用，具有较好的燃烧性能，当填料含量为15%，PE/Talc/PPF复合材料可以有效用于建筑材料。图6不同PE/Talc/PPF复合材料的HRR、THR、TSP曲线Fig.6HRR，THR，TSP curves of different PE/Talc/PPF composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F6a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F6a2（b）THR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.F6a3（c）TSP从图6b可以看出，1号样的THR最大，为382.03 MJ/m2，说明其在燃烧过程中的热量释放较多，火灾危害性较大。而加入Talc/PPF后，由于Talc可以有效阻止材料燃烧并且吸收一定热量，因此2号样~5号样的THR相比1号样均发生降低，并且4号样的THR达到最低值，为314.68 MJ/m2。从图6c可以看出，随着填料含量的增加，PE/Talc/PPF复合材料的TSP先降低后增加，填料含量15%时，PE/Talc/PPF的TSP最低，为5.43 m2，这一结果与LOI值相对应，说明在该配方下，填料的加入可以有效提高PE/Talc/PPF复合材料的阻燃性能。TSP下降的原因主要为，Talc热分解过程中释放一定量水，稀释烟雾浓度，并且其对燃烧过程具有一定的缓解作用，从而降低复合材料的TSP[12]。2.5复合材料的抗老化性能为了探究复合材料在长时间使用下的性能变化，将其放在高温老化箱中老化12 d，并测试性能变化，表2为测试结果。从表2可以看出，老化后复合材料的性能均发生下降。填料含量15%时，PE/Talc/PPF复合材料抗压强度下降率和LOI值下降率最低，分别为0.87%，2.18%。研究表明：过多的填料导致片层Talc与PE基体之间结合性较差，产生的空隙加速复合材料的老化，因此填料含量20%时，PE/Talc/PPF复合材料的抗压强度和LOI值下降率较大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.004.T002表2老化后PE/Talc/PPF复合材料的性能变化Tab.2Changes in properties of PE/Talc/PPFcomposites after aging样品填料含量抗压强度下降率LOI值下降率102.365.46251.834.363101.273.164150.872.185201.023.06%%3结论（1）通过PPF和Talc作为填料，制备PE/Talc/PPF复合材料。PE/Talc/PPF复合材料的性能显著优于单一填料的复合材料。（2）填料含量15%时，PE/Talc/PPF复合材料的拉伸强度、抗压强度和弯曲强度较好，分别为59.25、36.71和115.43 MPa；同时具有较好的阻燃性能，LOI值与总产烟量分别为31.3%和5.43 m2。（3）填料含量15%的PE/Talc/PPF复合材料具有较好的熔体流动性，便于生产成型，并且其在长时间老化下性能下降率较低，具有较强的实用性能。