聚丙烯(PP)具有无毒、耐腐蚀、耐热、力学强度优异等优点，已经被广泛地用于建筑管材领域[1-2]。然而PP作为建筑管材阻燃性能较差，不利于使用安全性[3]。针对PP阻燃性能进行改性，对于扩展其在建筑管材方面的应用具有重要意义。常规PP阻燃剂如卤系阻燃材料、磷系阻燃材料等表现较好的阻燃效果，已经广泛用于树脂材料的阻燃应用[4]。苏淑倩等[5]在PP中加入焦磷酸哌嗪(DPP)以及三聚氰胺聚磷酸盐(MPP)作为阻燃剂，研究了阻燃剂对PP性能的影响。结果表明：当DPP和MPP质量比为2∶1时，PP复合材料的阻燃级别可达到V-0级，极限氧指数(LOI)为35.5%。马殿普等[6]采用溴-锑-锡复配阻燃剂与PP进行复合，得到阻燃PP复合材料。结果表明：当溴-锑-锡阻燃剂的含量达到26%时，PP复合材料的LOI从18.8%增至29.0%，拉伸强度以及弯曲强度均得到较大提高，并且材料的阻燃和抑烟性能也得到提高。尽管两类阻燃剂表现出较好的阻燃性能，然而在燃烧过程中释放的有毒物质具有较大危害[7-8]。设计一种绿色环保的高效阻燃剂成为目前阻燃材料的研究重点。碳纤维(CF)作为一种具有较高比强度以及比模量的无机纤维材料，已经被广泛应用于塑料材料的增强领域[9-10]。然而，碳纤维与热塑性树脂之间的结合作用较差。而改性碳纤维可以有效改变其表面的润湿性，与树脂之间产生较好结合作用，从而显著增强其性能[11]。本实验对碳纤维进行改性，并将改性碳纤维(MCF)作为增强剂，制备聚丙烯/改性碳纤维(PP/MCF)复合材料，并对其阻燃性能、力学性能以及燃烧性能进行研究。1实验部分1.1主要原料碳纤维(CF)，直径约10 μm，工业级，吉林化工有限公司；聚丙烯(PP)粉末，F5-045，镇海石化有限公司；抗氧化剂，Irganox-1211，英国巴斯夫试剂公司；聚二甲氧基硅氧烷，分析纯，上海迈瑞尔有限公司；无水乙醇、盐酸，分析纯，国药制药有限公司；抗滴落剂，SN3302J，云南创新材料有限公司。1.2仪器与设备注塑成型机，JKY-5，成都大兴机械有限公司；双螺杆造粒机，HJ-21，广州隆基化机有限公司；极限氧指数分析仪(LOI)，6302，江苏科隆机械公司；燃烧试验机，HY-25，重庆华宇华工机械厂；动态光学接触角测试仪，LYD-21，惠州理央德仪器有限公司；万能力学试验机，UGM-1362，承德市建机力学检测仪器有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JSM-IT200，日本电子株式会社。1.3样品制备1.3.1CF的改性将规格为10 cm×10 cm的CF用去离子水洗净后自然干燥，裁剪长度为2~5 mm的样品。在烧杯中加入450 mL水，并加入20 mL聚二甲氧基硅氧烷搅拌均匀，待形成均一分散液，滴入5 mL盐酸，加入CF，密封玻璃烧杯后室温搅拌48 h。反应完成后，取出CF用无水乙醇洗净，60 ℃烘干后即可得到改性碳纤维(MCF)。1.3.2PP/MCF复合材料的制备表1为不同PP复合材料的配方。将PP粉末以及MCF在80 ℃的鼓风干燥机中干燥8 h从而去除残存的水分，将材料按照表1的配方加入双螺杆挤出机，挤出段温度设置为185 ℃，螺杆转速为360 r/min。挤出的PP粒在烘箱中100 ℃干燥8 h。将干燥后的样品加入注塑成型机中进行注塑，注射温度为200 ℃，得到PP复合材料试样条。按照相同的比例与制备方法，加入CF制备PP/CF复合材料。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.T001表1不同PP复合材料的配方Tab.1Formula of different PP composites样品PPCFMCF抗氧化剂抗滴落剂纯PP930052PP/CF-1903052PP/CF-28013052PP/CF-37023052PP/CF-46033052PP/MCF-1900352PP/MCF-28001352PP/MCF-37002352PP/MCF-46003352%%1.4性能测试与表征SEM测试：液氮冷冻，脆断，对样品喷金处理，加速电压15 kV。力学性能测试：拉伸强度和弯曲强度按GB/T 2567—2021进行测试；缺口冲击强度按GB/T 1043.1—2008进行测试。LOI测试：按GB/T 2406.2—2009进行测试，样品尺寸为50 mm×8 mm×5 mm。垂直燃烧性能测试：按GB/T 2408—2021进行测试，样品尺寸为100 mm×10 mm×5 mm。燃烧性能测试：按GB/T 8627—2007进行测试，样品尺寸为10 mm×10 mm×5 mm。2结果与讨论2.1MCF的接触角分析纯CF材料具有一定的亲水性，与树脂材料之间的结合力较差，需要改性为疏水亲油材料才能够与树脂之间产生较好的亲和作用。图1为纯CF和MCF的水接触角和油接触角。图1纯CF和MCF的水接触角和油接触角Fig.1Water contact angle and oil contact angle of pure CF and MCF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F1a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F1a2从图1可以看出，纯CF的水接触角接近0，表明其具有较好的水亲和力，并且油接触角达到147°。而CF经过聚二甲氧基硅氧烷改性后，MCF的水接触角达到153°，油接触角为0，表明其被修饰为疏水亲油的状态，可以有效地提高其与有机树脂之间的结合力，从而获得优异的性能[12]。2.2不同PP复合材料的阻燃性能图2为不同PP复合材料的LOI值。从图2可以看出，随着CF填料的增加，PP复合材料的LOI值均表现先增大后降低的趋势，并且同比例下PP/MCF复合材料的LOI均高于PP/CF复合材料，PP/MCF-3的LOI达到最大，相较于纯PP的LOI值提升60.5%。主要原因为一定量CF的加入可以改善树脂基体的孔径分布，内部氧含量较低，难以燃烧[13]。此外，CF在PP基体表面容易生成炭层从而保护基体，达到较好的阻燃效果[14]。PP/MCF复合材料具有更好的LOI是因为MCF与基体之间的相容性更好，从而获得更致密的结构。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F002图2不同PP复合材料的LOI值Fig.2LOI values of different PP composites为了评估复合材料在燃烧中的剧烈程度以及安全性，对其热释放速率(HRR)，总放热量(THR)以及总产烟量(TSP)进行评估。图3为不同PP复合材料的HRR曲线。从图3可以看出，PP/CF和PP/MCF的HRR曲线均随着填料的增加先降低后增大。这是由于CF可以有效形成炭层并保护基体。此外，MCF与树脂之间较强的亲和力，从而使基体与MCF之间的结构更致密，同比例下表现更低的HRR。PP/MCF-3的热释放速率峰值(PHRR)最低，为164.9 kW/m2，并且放热持续时间最短，表明其在燃烧过程中剧烈程度较低，具有一定的安全性。而CF含量较多时，CF分布不均匀形成的团聚导致内部基体密集程度降低，从而复合材料阻燃性能下降。图3不同PP复合材料的HRR曲线Fig.3HRR curves of different PP composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F3a1(a)PP/CF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F3a2(b)PP/MCF图4为不同PP复合材料的THR曲线。图4不同PP复合材料的THR曲线Fig.4THR curves of different PP composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F4a1(a)PP/CF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F4a2(b)PP/MCF从图4可以看出，同比例下PP/CF复合材料在燃烧过程中THR均高于PP/MCF复合材料，这一结果与LOI以及HRR结果相对应，说明MCF填充PP复合材料的阻燃性能更好。此外，复合材料的THR随着填料的增加而先降低后增大，表明较多填料影响其阻燃性能。这是由于过多填料的存在形成团聚从而改变了内部结构。MPP/CF-3复合材料的THR最低，为13.3 MJ/m2，低于同比例下PP/CF复合材料，说明其燃烧具有一定安全性。图5为不同PP复合材料的TSP曲线。从图5可以看出，同比例下PP/CF复合材料在燃烧过程中的TSP均高于PP/MCF复合材料，说明MCF相较CF能够更好地抑制PP燃烧产烟行为。PP/MCF-3中的TSP最低，160 s内的TSP仅为6.04 m2，低于纯PP的8.47 m2。MCF的加入可以有效改善PP材料的燃烧行为。由于MCF与PP基体之间的结合可以改善其内部结构使其孔道减少，并且可以更容易在基体表面生成炭层从而起抑烟作用。图5不同PP复合材料的TSP曲线Fig.5TSP curves of different PP composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F5a1(a)PP/CF10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F5a2(b)PP/MCF2.3不同PP复合材料的力学性能图6为不同PP复合材料的拉伸强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F006图6不同PP复合材料的拉伸强度Fig.6Tensile strength of different PP composites从图6可以看出，纯PP的拉伸强度为21.6 MPa，而加入CF或MCF后，复合材料的拉伸强度均随着填料的增加先增大后下降，并且MCF含量为23%时，PP/MCF-3的拉伸强度达到最大值，为27.8 MPa。这是由于CF具有较好的抗拉强度，在受到拉应力的时候可以缓解一部分应力，从而有效地改善复合材料的拉伸性能。而CF过量时，由于过多的CF分散不均引起的团聚导致其内部结构致密性变差，从而影响其力学性能。此外，相较于CF填充的PP复合材料，相同比例下MCF填充的复合材料性能值更大，由于MCF相较于CF与树脂之间具有更好的相容性，结合力更强，表现出较强的拉伸强度。图7为不同PP复合材料的弯曲强度。从图7可以看出，弯曲强度的值均随着填料的增加而先增大后下降，同比例下PP/MCF的弯曲强度均高于PP/CF复合材料，说明MCF具有更强的增强作用。纯PP的弯曲强度为23.6 MPa，而在PP/MCF-3中表现出最佳的弯曲强度值28.3 MPa，提高了19.9%。由于MCF较好的力学强度可以在复合材料受到弯曲应力时吸收一部分应力从而增强其弯曲强度值。而在MPP/CF-4中时，团聚作用导致材料在外力下产生应力集中从而提前失效，降低其弯曲强度。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F007图7不同PP复合材料的弯曲强度Fig.7Bending strength of different PP composites图8为不同PP复合材料的缺口冲击强度。从图8可以看出，纯PP的缺口冲击强度为8.62 kJ/m2，PP/CF-3复合材料的缺口冲击强度为9.21 kJ/m2。而PP/MCF-3复合材料的缺口冲击强度达到最高(9.96 kJ/m2)，相较纯PP以及PP/CF-3分别提高了15.5%和8.1%。不同PP复合材料缺口冲击强度变化趋势均随着填料的增加而先增加后下降，表明过量的填料对复合材料产生不利影响，使其性能下降。MCF增强的PP复合材料相较于纯CF增强PP样具有最佳的力学性能，并且PP/MCF-3表现最佳的综合性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F008图8不同PP复合材料的缺口冲击强度Fig.8Notched impact strength of different PP composites2.4不同PP/MCF复合材料的SEM分析为了探究MCF含量与性能之间的关系，对不同MCF填充的PP复合材料进行SEM表征，图9为不同PP/MCF复合材料的SEM照片。从图9可以看出，纯PP中有很多微小孔道，并且呈片状，这些片状结构中填充较多空气从而使其阻燃性能较低。而加入MCF后，原始片层消失，说明MCF的加入可以有效调控其内部结构。MCF含量较少时，PP/MCF-1仍然表现片层形貌以及较多的孔道。而在MCF含量继续增大，PP/MCF-2和PP/MCF-3的表面出现褶皱。此外，较为致密的结构可以有效地降低内部空气含量，从而增强阻燃性能。在MCF含量继续增大后，复合材料内部MCF出现团聚，复合材料的致密性变差。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.03.007.F009图9不同PP/MCF复合材料的SEM照片Fig.9SEM images of different PP/MCF composites3结论（1）MCF的加入可以有效地改善PP的内部结构，使其结构更为致密，从而获得更好的力学性能以及阻燃性能。（2）PP/MCF-3复合材料具有最佳的力学性能，拉伸强度和弯曲强度分别达到27.8 MPa和28.3 MPa，缺口冲击强度为9.96 kJ/m2。（3）在阻燃性能方面，PP/MCF-3复合材料具有最佳的LOI值(31.3%)，相较于纯PP的19.5%提升了60.5%，并且具有最低的HRR以及TSP。综合分析，当MCF的含量为23%，复合材料的力学性能和阻燃性能相对较好。