电木料主要是酚醛树脂在加工过程中加入木粉、滑石粉等填料，热压制成型制备的塑料制品，又称酚醛塑料。酚醛树脂的保温隔热、阻燃性能高，但是其耐腐蚀性能和力学性能较差。加入木粉、滑石粉等改性物质，电木料具有优异的耐高温、绝缘、阻燃和力学性能，被广泛应用于仪表外壳、电器外壳、开关插座等材料[1-2]。但是电木料废弃物不能回收再生产电木制品[3-4]。因此，如何回收利用电木废料，成为研究者关注的焦点。聚乙烯(PE)被广泛应用于电线电缆等电器绝缘用品。但是，纯PE软化和熔融温度低，耐热和耐环境应力开裂性差，通常需要对PE进行填充改性、共混改性或交联改性[5-6]。但是改性后PE某些力学性能下降、改性原料成本较高或改性较复杂。苑东兴等[7]用木粉改性PE制备PE/木粉复合材料，复合材料的弯曲性能和耐热性能得到改善，但冲击性能反而迅速下降。李城城等[8]采用PE/马来酸酐接枝聚乙烯/六方氮化硼熔融共混制备PE复合塑料，提高了复合材料的拉伸性能，但是制备原料和制备工艺较复杂。杜茂平等[9]用Al2O3/石墨与PE混合，制备了力学性能、绝缘性能和导热性能良好的复合材料，但是其原料成本较贵。电木料的优点能够弥补纯PE塑料的不足，将回收的电木废料（简称电木回料）与PE复合，充分发挥两者的优点，既解决电木回料循环利用问题，又制备出价格低廉且性能优异的绝缘PE复合材料[10]。本实验采用电木料回料填充改性绝缘PE，制备PE/电木回料复合材料，并研究了该复合材料的绝缘性能、力学性能、耐热性能和阻燃性能。1实验部分1.1主要原料聚乙烯(PE)，工业级，苏州隆美达塑化进出口有限公司；聚乙烯蜡（PE蜡），PE-S107，广东炜林纳新材料科技股份有限公司；硬脂酸，SA-1801，昊森新材料科技（高邑）有限公司；电木回料，回收的电木开关和插座。1.2仪器与设备球磨机，Φ0.9 m×1.12 m，河南郑矿机器有限公司；双螺杆挤出机，SY-6217-ZB、平板硫化机，SY-6210-D，东莞市世研精密仪器有限公司；体积电阻率测定仪，PG6058，东莞市品高检测仪器设备有限公司；介质常数测试仪，ZJD-87，北京航天纵横检测仪器有限公司；电子万能拉力试验机，XWW-20A，承德市万塑检测仪器有限公司；抗冲击试验机，HTYJ，济宁市裕泽工业科技有限公司；热重分析仪(TG)，Setline STA，凯璞科技（上海）有限公司；氧指数分析仪(LOI)，PX-01-005，江苏费尔曼安全科技有限公司；电缆和光缆热释放和产烟特性测试设备，ZY6260，东莞市中诺质检仪器有限公司。1.3样品制备1.3.1电木回料的处理用粉碎机将回收的电木料破碎成小块，将小块放入球磨机中球磨1 h。将球磨的粉末过100目的方孔筛，将过筛的粉末在80 ℃的烘箱中干燥5 h，得到电木回料粉末。1.3.2PE/电木回料复合材料制备表1为PE/电木回料复合材料配方。按表1配方在高速混料机中将各原料混合10 min；将混合均匀的原料在160 ℃的双螺杆挤出机中挤出造粒；将造粒好的原料倒入180 ℃的平板硫化机上以15 MPa热压成型。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.T001表1PE/电木回料复合材料配方Tab.1Formula of PE/bakelite recycled material composites试样编号PE电木回料PE蜡硬脂酸1#980112#8810113#7820114#6830115#584011%%1.4性能测试与表征绝缘性能测试：体积电阻率按GB/T 31838.2—2019进行测试，电压1 000 V；介电常数按GB/T 1409—2006进行测试，频率为50 Hz，样品厚度均为1.0 mm。力学性能测试：拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试，拉伸速率为25 mm/min，试样厚度1.0 mm；抗冲击性能按GB/T 1843—2008进行测试，样品尺寸100 mm×10 mm×4 mm，A型缺口。耐热性能测试：N2气氛，升温速率20 ℃/min，按GB/T 2951.12—2008进行测试，老化温度100 ℃，时间240 h。阻燃性能测试：LOI按GB/T 2408—2021进行测试，样品厚度2 mm；火焰蔓延、热释放速率、受火1 200 s内热释放总量、燃烧增长速率指数、燃烧滴落物（微粒）等级、产烟速率和受火1 200 s内产烟总量按GB/T 31248—2014进行测试，样品厚度2 mm；阻燃等级按GB 8624—2012进行评定。2结果与讨论2.1绝缘性能图1为PE/电木回料复合材料的绝缘性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.F001图1PE/电木回料复合材料的绝缘性能Fig.1Insulation performance of PE/bakelite recycled material composites从图1可以看出，随着电木回料掺量的增加，试样的体积电阻率和介电常数逐渐增大，与纯PE相比，电木回料掺量为30%时，体积电阻率从2.38×1013 Ω·m提高至5.81×1014 Ω·m，介电常数从2.3提高至3.6；继续增加电木回料至40%时，体积电阻率和介电常数分别提高至5.89×1014 Ω·m和3.7。这是因为电木料的电绝缘性能较好，电木回料掺量较少时，分散性更好，能够充分发挥电木回料的绝缘性能；掺量较大时，电木回料容易出现团聚，PE基体中有些区域反而没有电木回料，这些区域的绝缘性能主要由PE基体提供。2.2力学性能表2为PE/电木回料复合材料力学性能。从表2可以看出，随着电木回料掺量增加，PE/电木回料复合材料的拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变均先增加后降低，4#试样的拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变达到最大值，与未加电木回料的PE材料相比，分别提高了90.9%、68.6%和49.6%。因为电木回料掺量较低时，电木回料能够均匀在PE中分散，电木回料的加入将大部分外部荷载分解，提升了复合材料的力学性能。但是，当电木回料掺量过高时，电木回料出现团聚，电木回料在PE中的分散性变差，当外部荷载由外向内传递时，造成应力集中或有些部分的荷载主要由PE塑料承担，PE成为荷载破坏的薄弱区域，造成复合材料的力学性能下降[11-12]。4#试样拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变，均满足《电线电缆用黑色聚乙烯塑料》(GB/T 15065—2009)中所有产品要求，标准中力学性能要求最高的产品为GH和NGJ，这两种产品要求拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变分别为20.0 MPa、16.0 MPa和650.0%。而5#试样的拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变，无法满足GB/T 15065—2009中GH和NGJ型号产品要求。因此，电木回料掺量为30%时，PE/电木回料复合材料的力学性能最好，且满足相关产品标准。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.T002表2PE/电木回料复合材料的力学性能Tab.2Mechanical properties of PE/bakelite recycled material composites试样编号拉伸强度/MPa拉伸屈服应力/MPa断裂拉伸应变/%1#12.110.5478.02#15.212.6552.03#19.414.9665.04#23.117.7715.05#18.814.8629.02.3耐热性能图2为PE/电木回料复合材料的空气烘箱热老化性能，图3为PE/电木回料复合材料的TG曲线。从图2可以看出，随着电木回料掺量的增加，PE/电木回料复合材料经空气烘箱热老化后的拉伸性能先增强后减弱。4#试样热老化后拉伸强度和热老化后断裂拉伸应变达到最大值，与未加电木回料的PE材料相比，分别提高170.7%和102.6%。因为PE的耐热性能较差，在100 ℃左右发生软化；而电木回料的耐热性能较好，在160 ℃性能依然保持正常。电木回料加入后包裹在PE塑料表面，提高了复合材料的软化温度，进而提高了复合材料的耐热性能；但是，随着电木回料掺量过大，电木回料出现团聚，出现部分PE未被电木回料包裹，未包裹的PE在热环境中容易出现软化，造成热老化后复合材料的拉伸性能下降[12-13]。从图3可以看出，未加电木回料时，1#试样在230 ℃时，TG曲线开始下降；280 ℃后，试样质量急剧减少；400 ℃时，PE塑料基本热分解结束。与1#试样相比，4#试样的开始分解温度提高159 ℃。5#试样的开始分解温度提高至398 ℃，质量保留率提高至18.9%。因为PE热稳定性较差，100 ℃左右出现软化，140 ℃左右出现融化，230 ℃左右发生热分解。而电木回料耐热性能较好，电木回料的掺入增加了复合材料的热稳定性。另外，电木回料的增加，也增加了电木回料中无机物成分的含量，这些无机物难以分解或分解后产生固体无机物。因此复合材料的热分解温度提高，质量残留量增加。随着电木回料的掺量增加，PE/电木回料复合材料的耐热性能得到显著提高。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.F002图2PE/电木回料复合材料的空气烘箱热老化性能Fig.2Thermal aging performance of PE/bakelite recycled material composites in an air oven10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.F003图3PE/电木回料复合材料的TG曲线Fig.3TG curves of PE/bakelite recycled material composites2.4阻燃性能表3为PE/电木回料复合材料燃烧特性。从表3可以看出，随着电木回料增加，PE/电木回料复合材料的火焰蔓延FS、热释放总量THR1200、燃烧增长速率指数FIGRA和产烟总量TSP1200均逐渐减小；燃烧滴落物等级和LOI逐渐提高。当电木回料掺量从0增至40%，FS从1.7 m降至1.0 m，THR1200从17.7 MJ/m2降至10.9 MJ/m2，FIGRA从178 W/s降至120 W/s，TSP1200从63 m2降至37 m2，燃烧滴落物等级从d2提高至d1级，LOI从17.1%提高至33.9%；4#和5#试样的阻燃等级达到B1级。说明随着电木回料的加入，复合材料的阻燃性能得到提高。因为电木回料中各组分的阻燃等级高于PE塑料，电木回料中酚醛树脂阻燃等级为B1级，无机填料为A1级，而PE塑料阻燃等级只达到B2级；电木回料中木粉在受热、燃烧时炭化，在PE表面形成一层炭化层，阻隔热量和空气进入复合材料内部，抑制材料继续燃烧。因此电木回料的加入能够提高复合材料的阻燃性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.T003表3PE/电木回料复合材料燃烧特性Tab.3Combustion characteristic of PE/bakelite recycled material composites试样编号FS/mTHR1200/（MJ·m-2）FIGRA/（W‧s-1）TSP1200/m2燃烧滴落物等级LOI/%阻燃等级1#1.717.717863d217.1B22#1.516.215555d221.1B23#1.314.814046d128.2B24#1.112.212939d132.2B15#1.010.912037d133.9B1为了进一步了解电木回料的加入对复合材料燃烧分解速率的影响，测试了复合材料的热释放速率(HRR)和产烟速率(SPR)。图4为PE/电木回料复合材料HRR和SPR曲线。从图4可以看出，随着电木回料掺量的增加，HRR和SPR及曲线峰值均逐渐降低，说明随着电木回料掺量的增加，复合材料的阻燃性能提高。原因是电木回料中各组分的阻燃等级高于PE塑料，并且电木回料中木粉在受热、燃烧时形成炭化保护层，抑制复合材料继续燃烧。电木回料的掺入，能够提高PE/电木回料复合材料的阻燃性能。图4PE/电木回料复合材料的HRR和SPR曲线Fig.4HRR and SPR curves of PE/bakelite recycled material composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.F4a1(a)HRR曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.04.014.F4a2(b)SPR曲线3结论随着电木回料的加入，PE/电木回料复合材料的电绝缘性能不断提高，复合材料的拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变均先增加后降低；热老化后拉伸性能先增强后减弱；热分解温度不断提高，质量保留率不断增加；复合材料的阻燃性能不断提高。同时为了满足绝缘PE复合材料产品标准要求，电木回料的最佳掺量为30%，此时PE/电木回料复合材料的体积电阻率为5.81×1014 Ω·m，介电常数为3.6。与纯PE复合材料相比，PE/电木回料复合材料的拉伸强度、拉伸屈服应力和断裂拉伸应变分别提高了90.9%、68.6%和49.6%。热老化后拉伸强度和断裂拉伸应变分别提高了170.7%和102.6%，热分解温度提高159 ℃；阻燃等级达到B1级。