聚氯乙烯(PVC)管道具有高强、质轻、廉价、易安装、使用期限长的优点，是极具市场化潜力的矿井井下管道材料[1]。但PVC本身体积电阻较高，在使用过程中极易产生静电积累[2]，严重危害工业生产和人员生命安全[3]。因此，制备低电阻率PVC复合材料成为具有开发意义的研究方向。相比于其他材料，炭黑(CB)能够有效降低复合材料的体积电阻率[4]，对复合材料物理性能影响不大，并且具有极佳的相容性、导电性能好、价格低的特点。除此之外，导电云母、碳纳米管、电镀金属化合物也能够降低复合材料电阻[5]。由于PVC材料具有较好的亲水性能，当作为供水、排水管道使用时水体会由于摩擦产生较高的沿程损失。因此，开发具有疏水性能的PVC复合材料，能够明显减少输送能量损失，节约能源。具有疏水功能的复合材料在耐微生物性以及抗污性上也有明显优势。聚四氟乙烯(PTFE)具有极低的表面能和疏水性能，蒋志青[6]通过高真空电阻蒸发技术制备了PTFE/PVC热收缩复合膜，获得接触角超过150°、滚动角约为4°的超疏水表面；丁新波等[7]制备出具有超疏水、自清洁功能的复合材料。袁志庆[8]构建了类荷叶状超疏水PVC薄膜，增强了疏水性。刘珊珊[9]将石英砂和有机硅氧烷聚合后，制备得到疏水复合材料。贾国栋[10]制备了表面呈明显疏水性的化学镀Ni-P/PTFE复合镀层。时志权[11]通过在PTFE表面构筑共轭体系，建立了导电PTFE材料。任文等[12]构建了具有优秀耐污性的超疏水聚苯胺/聚四氟乙烯复合膜。本实验采用PTFE作为疏水组分，导电炭黑(CCB)作为抗静电剂，通过与PVC共混后经双螺杆挤出机挤出，制备了PVC/PTFE/CCB复合材料，构建了三元复合体系。并分别探讨了PTFE、CCB的含量与复合材料疏水性能、导电性能和物理性能之间的关系。1实验部分1.1主要原料聚氯乙烯(PVC)，LS-100，韩国LG化学；聚四氟乙烯(PTFE)，粒径20~30 μm，济南鑫富隆化工有限公司；导电炭黑(CCB)，F100B，天津亿博瑞化工有限公司；硬脂酸钙、水滑石(10 μm)，市售；抗氧剂1010、抗氧剂168，工业级，市售。1.2仪器与设备同向双螺杆混炼挤出造粒机，CTE-20，科倍隆科亚(南京)机械有限公司；电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统(中国)有限公司；摆锤式冲击试验机，EBC-1400-B，美特斯工业系统(中国)有限公司；鼓风干燥机，HAS-3019，上海橡胶机械一厂；塑料注塑成型机，PL860，无锡海天机械有限公司；表面电阻率测试仪，Monroe 262A，北京艾尔利达科技有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quanta FEG 250，美国FEI公司。1.3样品制备表1为PVC/PTFE复合材料基本配方。将PVC、PTFE和CCB放置于85 oC的鼓风干燥机中干燥3 h，与其他加工助剂一起按照表1的配方，用混料袋混合均匀后投入到同向双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为160~180 oC，经水冷、造粒后制得复合材料。将复合材料颗粒继续置于85 oC的鼓风干燥机中干燥2 h后用注射机注塑成样条或样板，备测。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1PVC/PTFE复合材料基本配方Tab.1Basic formula of PTFE/PVC配方编号PVCPTFE硬脂酸钙水滑石抗氧剂1010抗氧剂168A10000.32.50.150.15B9550.32.50.150.15C90100.32.50.150.15D85150.32.50.150.15E80200.32.50.150.15F75250.32.50.150.15份phr1.4性能测试与表征拉伸强度测试：按ISO 527—1:1993进行测试，制备哑铃型标准样条，拉伸速度50 mm/min。弯曲性能测试：按ISO 178—2001进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm，机器运行速度2 mm/min。冲击性能测试：按ISO 180—2000进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm，缺口深度2 mm，摆锤为悬臂梁，吸收功5.5 J。疏水性能测试：按ISO 15989—2004进行测试，样条尺寸10 mm×10 mm×4 mm，用接触角进行表征。导电性能测试：按ASTM D257—2007进行测试，样板尺寸10 mm×10 mm×4 mm。SEM分析：将共混物样条液氮脆断，真空喷金处理后，对脆断面结构和形态进行微观形貌分析，场压为20 kV，放大倍数为5 000~10 000倍。2结果与讨论2.1PTFE对PVC性能的影响图1为不同PVC/PTFE比例对复合材料力学性能的影响。从图1可以看出，PTFE的质量分数与复合材料力学性能呈负相关趋势，随着PTFE在组分中的质量分数的增加，复合材料拉伸强度、弯曲模量逐渐下降，冲击强度出现先升高后下降的趋势。其中，当PTFE含量为5份时，复合材料冲击强度最高，达到44 kJ/m2。该现象出现的原因可能是PTFE的加入可以在一定程度上减少复合材料的应力集中现象，减少微观尺度下复合材料的银纹，从而提高冲击强度。但由于具有极低表面能的PTFE的加入，复合材料内部分子间作用力降低，导致拉伸强度和弯曲模量逐渐下降，继续提升PTFE含量导致复合材料内部强度降低，断裂所需吸收功降低，材料冲击强度下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1不同PVC/PTFE比例对复合材料力学性能的影响Fig.1Effect of different PVC/PTFE ratios on mechanical properties of composites图2为不同PVC/PTFE比例对复合材料接触角的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2不同PVC/PTFE比例对复合材料接触角的影响Fig.2Effect of different PTFE/PVC ratios on water contact angle of composites从图2可以看出，复合材料与去离子水的接触角与PTFE含量呈正相关，随着PTFE含量的提高，复合材料接触角明显提高，当PTFE含量在25份时，复合材料接触角接近90°。这一结果的出现是由于PTFE本身表面能较低，与水的接触角约为120°，在大量添加PTFE后，更多地暴露在复合材料表面，因此复合材料疏水性能明显提高。但PTFE含量过高会导致复合材料性能下降明显，因此，选择配方E进行下一步实验。2.2CCB对复合材料性能的影响图3为CCB对复合材料力学性能的影响。从图3可以看出，CCB对复合材料拉伸强度、弯曲模量都有明显提升，而复合材料冲击强度先升高后下降。这是因为CCB在PVC/PTFE体系中有一定的补强作用，且与塑料基体间界面强度较高，复合材料在强度增加的同时并未出现明显的应力集中所致。但提高CCB份数仍然会因CCB的团聚现象出现更多的应力集中，导致复合材料韧性降低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3导电炭黑对复合材料力学性能的影响Fig.3Effect of CCB on mechanical properties of composites图4为CCB含量为5份和15份时复合材料脆断面形貌SEM照片。从图4可以看出，CCB填充量为5份时，CCB颗粒在聚合物中分散良好，无明显团聚现象。而CCB填充量为15份时，CCB颗粒在聚合物中部分出现了团聚，导致复合材料性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图4复合材料脆断面形貌的SEM照片Fig.4SEM images of composite brittle section morphology图5为CCB对复合材料导电性能与接触角的影响。从图5可以看出，CCB对复合材料导电性能影响呈现“突越”式上升。在CCB含量在10份以下时，复合材料表面电导率未见明显下降。但CCB含量超过15份后导电性能明显增加，表面电阻率下降到108 Ω/cm左右。可能是由于在较低含量下，颗粒彼此独立导致电荷不易传递，而含量超过15份后，大部分CCB颗粒能够彼此接触，可在复合材料基体中形成连续相，大幅降低了电荷传递的阻碍，使复合材料导电性能大幅提高。综上来看，CCB含量为15份时，能够在兼顾力学性能的情况下制备出导电性能较好的复合材料。并且，CCB的加入对复合材料接触角性能影响不大，能够在兼顾材料疏水性能的同时增加导电性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图5导电炭黑对复合材料导电性能与接触角的影响Fig.5Effect of CCB on electrical conductivity and water contact angle of composites3结论(1)制备了PVC/PTFE复合材料。随着PTFE质量分数的增加，复合材料的冲击强度呈先增后降的趋势，弯曲模量和拉伸强度逐渐降低，但去离子水接触角明显升高。(2)CCB能够明显提高复合材料的拉伸强度和弯曲模量。在CCB填充量超过15份后，PVC/PTFE/CCB复合材料导电性能随CCB用量的增加显著增强。(3)通过考察复合材料的配比，制备了具有较好疏水性、导电性的复合材料，为矿井疏水管道用PVC复合材料的研究提供了一定的参考。