聚丙烯(PP)材料具有化学稳定性优异、成本低等优点，已被广泛应用于轨道交通材料。然而，PP的低温脆性影响其在特定环境的应用[1-2]。因此，对PP进行改性提高其耐低温性能，对扩大其实际应用具有重要意义。PP的改性方式主要包括无机填料改性以及有机填料改性[3-5]。无机填料改性中，滑石粉具有较低的硬度，对材料的机械磨损性较小，其鳞片状结构可以有效提高复合材料的硬度以及热变形温度等[6-7]。研究表明：粒径小的滑石粉比表面积大，对PP复合材料的性能增强效果好。然而，滑石粉与PP基体之间的共混效果较差，不能满足材料在某些领域的性能要求[8]。有机填料改性中，由于有机填料与基体之间相容性较好，获得的复合材料性能较优异[9]。然而，大部分有机物存在低温下缺口冲击强度较差、阻燃性较差等缺点[10]。因此，研发具有较强耐低温性能、高强度的PP复合材料成为目前的研究热点。聚氯乙烯(PVC)作为一种热塑性树脂材料，具有优异的不可燃性、较好的力学性能和较低的成本[11]。本实验在PP树脂中加入不同含量的PVC，制备PP/PVC复合材料，并对PP/PVC的力学性能、阻燃性能以及耐低温性能进行研究。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP)，3920，韩国SK公司；抗氧化剂1010，IRGANOX168，德国巴斯夫股份公司；聚氯乙烯粉末(PVC)，YT-800，余姚市凯鸽塑化有限公司；偶联剂，B3025A，广州通点化工有限公司。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；极限氧指数测定仪(LOI)，YN-HC2，东莞市南粤实验设备有限公司；UL94垂直水平燃烧测试仪，PX-03-001，苏州菲尼克斯仪器有限公司。1.3样品制备表1为PP/PVC复合材料的配方。将各种原料在80 ℃烘箱中干燥处理24 h，按表1的配方称取原料，将配料加入双螺杆挤出机中造粒，造粒温度195 ℃，时间15 min。将粒料进行注塑，注射温度205 ℃，注射时间20 min，保压时间15 s，得到PP/PVC复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.T001表1PP/PVC复合材料的配方Tab.1Formula of PP/PVC composites样品聚丙烯聚氯乙烯抗氧化剂偶联剂197.5020.5295.5220.5393.5420.5491.5620.5589.5820.5687.51020.5%%1.4性能测试与表征TG分析：N2气氛，升温速率5 ℃/min，测试范围25~700 ℃。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。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试。燃烧性能测试：按GB/T 2408—2021进行测试，热流25 kW/m2，样品尺寸50 mm×5 mm×5 mm。LOI测试：按GB/T 2408—2021进行测试，样品尺寸50 mm×5 mm×5 mm。耐低温性能测试：将样品置于-20 ℃的环境下7 d，恢复至自然温度放置7 d，按GB/T 1843—2008进行测试。2结果与讨论2.1PP/PVC复合材料的热稳定性图1为纯PP和不同PP/PVC复合材料的热稳定性。从图1可以看出，纯PP材料（1号）的初始分解温度为203 ℃，达到最大热分解温度为543 ℃，残炭率仅为6.2%。随着PVC的加入，PP/PVC的热稳定性逐渐增加，由于PVC具有较好的热稳定性。随着PVC含量的增加，复合材料的热稳定逐渐增强。6号样中由于PVC含量最多，其初始分解温度达到246 ℃，最大热分解温度为572 ℃，残炭率为17.6%。结果说明：PVC的加入可以有效提高PP的热稳定性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F001图1纯PP和不同PP/PVC复合材料的热稳定性Fig.1Thermal stability of pure PP and different PP/PVC composites2.2PP/PVC复合材料的力学性能图2为纯PP和不同PP/PVC复合材料的力学性能。从图2a可以看出，随着PVC含量的增加，PP/PVC复合材料的拉伸强度逐渐增强。由于PVC分子间的作用力较强，其分子链上的次甲基氢原子与PP基团形成弱氢键，可以有效增强复合材料的拉伸强度[12]。1号样的拉伸强度仅为22.6 MPa。6号样的拉伸强度达到最大，为30.5 MPa。PVC含量较低时（1号样~4号样），PVC显著增强PP/PVC的拉伸强度。PVC含量继续增加时（4号样~6号样），PP/PVC的拉伸强度增长缓慢，4号样的拉伸强度为29.6 MPa，6号样的拉伸强度为30.5 MPa，与4号样相比增长3.04%。由于PP是非极性分子，PVC是极性分子，PVC含量较高时，PP与PVC之间相容性较差，导致拉伸强度增长不明显。图2纯PP和不同PP/PVC复合材料的力学性能Fig.2Mechanical properties of pure PP and different PP/PVC composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F2a1（a）拉伸强度10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F2a2（b）断裂伸长率10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F2a3（c）弯曲强度从图2b、图2c可以看出，随着PVC含量的增加，不同PP/PVC复合材料的断裂伸长率以及弯曲强度均呈现增加的趋势，PVC含量较高时增长较缓慢。6号样的断裂伸长率以及弯曲强度均达到最佳值，分别为637%和1 224 MPa。相比4号样的断裂伸长率(613%)和弯曲强度(1 152 MPa)，增长率为3.9%和6.25%。根据文献[13]报道，PP保险杠材料的拉伸强度为29 MPa、断裂伸长率为500%、弯曲强度为1 100 MPa，考虑经济效益与实际性能，4号样的力学性能指标可满足相关应用。2.3PP/PVC复合材料的阻燃性能表2为纯PP和不同PP/PVC复合材料的LOI以及燃烧评级。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.T002表2纯PP和不同PP/PVC复合材料的阻燃性能Tab.2Flame retardant properties of pure PP and different PP/PVC composites样品LOI值/%滴落状态燃烧等级123.6滴落、不自熄V-1232.1滴落、不自熄V-1338.9滴落、不自熄V-1446.5不滴落、自熄V-2550.3不滴落、自熄V-2651.2不滴落、自熄V-2随着PVC含量的增加，PP/PVC复合材料的LOI值逐渐增加，燃烧逐渐由滴落转变为不滴落。4号样~6号样的LOI值均达到45%以上，并且燃烧评级均为V-2级。研究表明：4号样~6号样具有较好的阻燃性能。图3为纯PP和不同PP/PVC复合材料的热释放速率(HRR)和总热释放量(THR)曲线。从图3a可以看出，1号样为纯PP材料，不具有阻燃性，在燃烧过程中迅速释放大量的热，并且达到热释放速率峰值(PHRR)所用时间最长，在400 s左右。而随着PVC含量的增加，PP/PVC复合材料达到PHRR的时间均减小，并且PHRR值降低。结果表明：PVC的阻燃性能可以有效降低PP/PVC复合材料在燃烧过程中的HRR，显著降低火灾危险性。图3纯PP和不同PP/PVC复合材料的燃烧性能Fig.3Combustion performance of pure PP and different PP/PVC composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F3a1（a）HRR10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F3a2（b）THR从图3b可以看出，THR结果与HRR相对应，随着PVC含量逐渐增加，PP/PVC复合材料的THR逐渐降低。1号样的THR达到141.17 kJ/m2。而6号样的THR达到96.41 kJ/m2，与1号样相比下降幅度约31.71%。由于PVC在燃烧过程中释放的HCl气体与水分子结合，可以吸收部分热量，从而有效地降低样品的THR[14]。4号样~6号样的HRR与THR之间的变化幅度较小，由于PVC含量过高导致其与PP基体之间的相容性较差，从而导致材料内部出现空隙，使空气流动增加，导致复合材料的阻燃性能增加缓慢。结合PP/PVC复合材料的力学性能，4号样具有较好的经济效应与综合性能，具有较好的应用潜力。2.4PP/PVC复合材料的耐低温性能由于轨道交通材料需要具有较好的耐低温性能，而PP材料在低温下的耐候性和冲击强度较差，探究PP材料的低温冲击强度至关重要。图4为纯PP和不同PP/PVC复合材料的低温冲击强度。从图4可以看出，随着PVC含量的增加，PP/PVC复合材料的低温冲击强度呈现先增加后下降的趋势。4号样的低温冲击强度达到最大，为8.9 kJ/m2，相比1号(4.2 kJ/m2)增加111.9%。由于PVC在低温下具有较好的稳定性，在-40 ℃下均能够保持较好的力学性能，可以有效增加PP/PVC的耐低温性能。此外，5号样~6号样中PVC的含量较多，由于PP与PVC混合不均，导致填料与基体之间存在空隙，在低温环境下空隙内部的水蒸气凝结增大空隙尺寸，降低复合材料的低温冲击强度。综合分析，4号样具有较好的综合性能，可以有效用于轨道交通材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F004图4纯PP和不同PP/PVC复合材料的低温冲击强度Fig.4Low temperature impact strength of pure PP and different PP/PVC composites3结论通过在PP中熔融共混PVC粉体，制备用于轨道交通的PP/PVC复合材料。实验结果表明：PVC含量较少时，随着PVC含量的增加，显著提升PP/PVC的热稳定性、力学性能以及阻燃性能。4号样中PVC与PP基体之间熔融最好，具有最佳的低温冲击强度(8.9 kJ/m2)，其力学性能满足文献报道参考值，具有实际应用潜力。4号样的LOI值为46.5%，THR为105.11 kJ/m2，具有较好的阻燃性能，有潜力应用于轨道交通材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.04.016.F005