聚丙烯(PP)是1种热塑性半结晶聚合物[1]，具有密度小、电绝缘性、耐腐蚀[2-3]、价格低廉等特点。随着我国PP产能和消费量的日益增长[4-6]，废旧聚丙烯(WPP)越来越多[7-8]，合理利用WPP具有重要意义。已有研究将WPP与草本植物混合制备复合材料。艾草为多年生草本或略呈半灌木状，主要化学成分为挥发油类、黄酮类、酚类、生物碱类和糖类[9]。艾草是1种广谱抑菌、抗病毒的药物[10]，对许多病毒和细菌有抑制和杀伤作用。但随着艾草使用量的增加，生产过程中产生了大量艾草中药废渣(WCMWR)，WCMWR对于土地与自然水体有一定危害[11]。WCMWR的合理利用不仅可降低制药厂处理固体废弃物的成本，也有效减小其对环境的危害[12-15]。具体的途径是将WPP与WCMWR作为主要原料，采用适宜的制备方法，制成WPP/WCMWR复合材料；WCMWR的加入使复合材料具有植物的芳香气味，也具有较好的抗菌性与杀菌效果，防止复合板发生霉变。WPP/WCMWR复合材料的原材料成本低廉，使WPP与WCMWR得以循环使用[16-17]，同时减轻两者对环境的污染。刘彤[18]和周尚艳等[19]利用中药废渣与WPP制备复合材料。研究表明：药渣的填充性能较好，可替代目前市场上的竹胶合板与木模板，具有价格低廉及可多次回收利用等优点，前景广阔。罗焕虎等[20]和王海荣等[21]用偶联剂KH570对不同中药废渣进行改性，将改性中药废渣作为填料与WPP通过挤出造粒注塑成型制得复合材料。结果表明：葛根药渣填充WPP的综合性能最好，可将其用于实际生产。本实验利用响应面法(RSM)对WPP/WCMWR复合材料的制备工艺进行优化[22]，以提高该复合材料的冲击强度、静曲强度，为该材料的推广运用提供思路。1实验部分1.1主要原料废旧聚丙烯(WPP)，工业级，颗粒状，直径3~7 mm，贵州兴杰废旧物资回收公司；艾草中药废渣(WCMWR)，工业级，贵州苗仁堂制药有限责任公司；无水乙醇、氢氧化钠，分析纯，山东祥盛精细化工有限公司；硅烷偶联剂，KH570，南京曙光硅烷化工有限公司。1.2仪器与设备纤维切断机，JQ1023，山东伟邦机械有限公司；高速混合机，ZGH-800，常州市阜邦干燥设备有限公司；电热恒温鼓风干燥箱，YH-130AS，广州翼恒仪器有限公司；球磨机，LZMQ480/600，江西石城县矿山机械厂；锥形双螺杆挤出机，SJ-SZ92，武汉怡扬塑料机械有限公司；三辊压光机，YR-1500，上海盈润机械有限公司；冷等静压机，KJYu300，山西金开源事业有限公司；数控切割机，XJK-400，杭州善昱机电有限公司；材料万能试验机，JHY-5000，厦门金河源科技有限公司；冲击试验机，TF-2069，扬州市天发试验机械有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，JCM-7000，日本电子株式会社。1.3样品制备1.3.1WCMWR的改性处理将WCMWR放入纤维切断机中切割成长度为1~2 mm的短纤，将短纤在浓度为3%NaOH溶液中浸泡5 h，水洗至中性，在温度设定为102 ℃的干燥箱中烘干2 h。将烘干后的WCMWR在m(乙醇)∶m(KH570)=97∶3的混合液中浸泡1 h，捞出后放入干燥箱，在80 ℃的温度条件下烘干2 h。1.3.2WPP/WCMWR复合材料的制备将WPP与改性处理后的WCMWR按一定比例即m(WPP)∶m(WCMWR)为2∶1、3∶1、4∶1，放入高速混合机进行配料，将所得的共混物放入双螺杆挤出机中进行挤塑，螺杆转速为65、70、75 r/min，通过三辊压光机对挤出的共混熔体进行辊压成型，压延压力为4.5、4.8、5.1 MPa，辊压成型后的复合材料通过传送带传送至冷等静压机静压冷却[23]，通过数控切割机对冷却后的复合材料进行切割，得到WPP/WCMWR复合材料。1.4性能测试与表征冲击强度测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。静曲强度测试：按GB/T 17657—2013进行测试，样品尺寸为250 mm×50 mm×10 mm。SEM观察：取样品冲击断面制样，表面喷金处理后采用SEM进行观察。2结果与分析2.1WPP/WCMWR复合材料的单因素试验2.1.1螺杆转速对复合材料力学性能的影响图1为不同的螺杆转速下WPP/WCMWR复合材料的力学性能。从图1可以看出，随着螺杆转速的增大，复合材料的冲击强度和静曲强度均呈现先增大后减小的趋势；当螺杆转速为70 r/min时，复合材料的冲击强度和静曲强度均达到最大值，分别为64.55 kJ/m2、62.82 MPa。因为随着螺杆转速的增大，有利于加快WCMWR在WPP中的分散性，材料的均一度变好，提高了二者的结合性，从而提高复合材料的强度。但当螺杆转速过快，导致WCMWR发生团聚现象，使WCMWR与WPP基体的相容性变差，从而导致复合材料力学性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F001图1不同螺杆转速下WPP/WCMWR复合材料的力学性能Fig.1Mechanical properties of WPP/WCMWR composites under different screw speeds2.1.2压延压力对复合材料力学性能的影响图2为不同压延压力下WPP/WCMWR复合材料的力学性能。从图2可以看出，随着压延压力的增大，复合材料的冲击强度和静曲强度均呈现先增大后减小的趋势；当压延压力为4.8 MPa时，冲击强度和静曲强度均达到最大值，分别是63.58 kJ/m2、62.42 MPa。因为随着压延压力的提高，复合材料的压实密度增大，降低复合材料的孔隙率，提高WCMWR与WPP基体界面的黏结性，从而提高复合材料抗外力作用的能力[24]。但当压延压力过大时，复合材料的强度不足以抵抗外力作用，使复合材料产生压下裂纹，使WCMWR与WPP基体的黏结强度降低，从而导致复合材料的力学性能下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F002图2不同压延压力下WPP/WCMWR复合材料的力学性能Fig.2Mechanical properties of WPP/WCMWR composites under different calendering pressures2.1.3质量比对复合材料力学性能的影响图3为不同质量比下WPP/WCMWR复合材料的力学性能。从图3可以看出，随着WPP与WCMWR质量比的增大，复合材料的冲击强度和静曲强度先增大后降低，降低趋势较平缓。当WPP与WCMWR质量比为3∶1时，复合材料的冲击强度和静曲强度最大，此时冲击强度是63.12 kJ/m2，静曲强度是64.56 MPa。原因是WCMWR中所含的纤维可与WPP基体发生共同断裂，纤维和WPP基体具有良好的黏结性；当受到外力作用时，WCMWR能够有效地分担二元共混体系的载荷，从而提高复合材料抗外力作用的能力，提高复合材料的抗冲击能力与承受载荷能力。WPP与WCMWR质量比为1∶1时，WCMWR含量较大，WCMWR在共混体系中的挤压现象严重，发生团聚，复合材料强度较低。WPP与WCMWR质量比为5∶1时，WPP含量较大，降低了WCMWR对复合材料的增韧作用，复合材料强度较低。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F003图3不同质量比下WPP/WCMWR复合材料的力学性能Fig.3Mechanical properties of WPP/WCMWR composites with different mass ratios2.2WPP/WCMWR复合材料的响应面试验将单因素试验数据作为RSM试验各项条件和因素设置的基础。设定复合材料的冲击强度(Y1)和静曲强度(Y2)为响应值，选定螺杆转速、压延压力、WPP和WCMWP质量比为因素。根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理设计了3因素3水平响应面试验，共17组响应面试验方案[25-27]，表1为响应面试验因素水平设计，表2为响应面试验结果。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.T001表1响应面试验因素水平设计Tab.1Response surface test factor level design水平因素螺杆转速（A）/（r·min-1）压延压力（B）/MPaWPP和WCMWP质量比（C）-165.004.502∶1070.004.803∶1175.005.104∶110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.T002表2响应面试验结果Tab.2Response surface test results组数因素Y1/（kJ·m-2）Y2/MPaABC1-1-1053.5653.6421-1055.7657.663-11057.6955.65411057.5859.075-10-153.4356.51610-157.7659.957-10156.9155.94810155.8259.0990-1-154.9856.791001-155.7157.94110-1153.9155.081201158.4857.661300063.0762.531400063.6962.981500063.5562.821600063.3162.621700063.8663.112.2.1复合材料冲击强度的RSM优化RSM法得到的模型中各变量对响应值的显著性可通过F值和P值的大小判定；F值越大则相对应的P值越小，模型假设的无效性就越小，模型显著性越高[28]。P0.01时，变量对响应值的影响为极显著；P0.05时，表示该变量对响应值的影响为显著；当P0.05，表示变量对响应值影响为不显著[29]。采用Design-Expert8.0.6软件对表2数据进行处理，得到WPP/WCMWR复合材料的Y1对螺杆转速(A)、压延压力(B)、质量比(C)的二次多项式回归方程[30]：Y1=+63.50+0.67A+1.41B+0.40C-0.58AB-1.35AC+0.96BC-3.57A2-3.78B2-3.95C2 （1）为了评估响应面模型的准确性，对回归方程进行方差分析，表3为冲击强度的方差分析结果。从表3可以看出，模型中P0.000 1，该模型为极显著。失拟项P=0.572 9(0.05)，不显著，表示该模型选择与实际相符、误差较小。相关系数R2=0.997 4，接近于1，表明测量值与预测值吻合较好；校正相关系数R2Adj=0.994 0，说明该模型能解释99.40%响应值变化。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.T003表3冲击强度的方差分析Tab.3Analysis of variance of impact strength方差来源平方和自由度均方差F值P值显著性模型233.46925.940297.46＜0.0001极显著A3.5513.55040.720.0004极显著B15.82115.820181.41＜0.0001极显著C1.3111.31015.050.0061极显著AB1.3311.33015.300.0058极显著AC7.3417.34084.22＜0.0001极显著BC3.6913.69042.270.0003极显著A253.64153.640615.09＜0.0001极显著B260.14160.140689.60＜0.0001极显著C265.59165.590752.09＜0.0001极显著残差0.6170.0870失拟误差0.2230.0740.760.5729不显著纯误差0.3940.097总离差234.0716R2=0.9974；R2Adj=0.9940因此，二次多项式回归方程可靠，该模型可用于优化WPP/WCMWR复合材料的工艺条件。模型中除失拟项外，其余各项都属于对冲击强度的响应值影响极显著的因素。图4为螺杆转速、压延压力、质量比对WPP/WCMWR复合材料冲击强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F004图4螺杆转速、压延压力、质量比对WPP/WCMWR复合材料冲击强度的影响Fig.4Effect of screw speed, calendering pressure and mass ratio on the impact strength of WPP/WCMWR composites从图4a~图4c可以看出，螺杆转速、压延压力和质量比均对复合材料的冲击强度有显著影响，但压延压力的影响效果更显著。随着压延压力的增大，复合材料的冲击强度先较快增长后逐渐降低。根据对冲击强度的影响程度，3个因素影响依次排序为：压延压力(B)螺杆转速(A)质量比(C)。解二次多项式回归方程（1）得到，WPP/WCMWR复合材料的冲击强度最佳工艺条件为：螺杆转速70.33 r/min、压延压力4.86 MPa、质量比3∶1，该条件下复合材料冲击强度的预测值为63.66 kJ/m2。2.2.2复合材料静曲强度的RSM优化WPP/WCMWR复合材料的Y2对螺杆转速(A)、压延压力(B)、质量比(C)的二次多项式回归方程：Y2=+62.81+1.75A+0.89B-0.43C-0.15AB-0.072AC+0.36BC-2.65A2-3.66B2-2.29C2 （2）为了评估响应面模型的准确性，对回归方程进行方差分析，表4为静曲强度的方差分析结果。从表4可以看出，响应面模型中P值0.000 1，该模型极显著。失拟项P=0.551 6(0.05)，不显著，表示该模型选择与实际相符。相关系数R2=0.997 6，接近于1，表明测量值与预测值较吻合；矫正相关系数R2Adj=0.994 4，说明该模型能解释99.44%响应值变化。此二次多项式回归方程可靠，该模型可用于优化WPP/WCMWR复合材料工艺条件。模型中螺杆转速和压延压力、螺杆转速和质量比的交互作用不显著，其余项均显著影响静曲强度响应值。图5为螺杆转速、压延压力、质量比对WPP/WCMWR复合材料静曲强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.T004表4静曲强度的方差分析Tab.4Analysis of variance for static bending strength方差来源平方和自由度均方差F值P值显著性模型152.99917.000317.31＜0.0001极显著A24.61124.610459.29＜0.0001极显著B6.3916.390119.28＜0.0001极显著C1.4611.46027.290.0012显著AB0.9010.0901.680.2360不显著AC0.2110.0210.390.5509不显著BC0.5110.5109.540.0176显著A229.59129.590552.35＜0.0001极显著B256.28156.2801050.53＜0.0001极显著C222.05122.050411.620.0007极显著残差0.3870.054失拟误差0.1430.0470.810.5516不显著纯误差0.2340.058总离差153.3616R2=0.9976；R2Adj=0.994410.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F005图5螺杆转速、压延压力、质量比对WPP/WCMWR复合材料静曲强度的影响Fig.5Effect of screw speed, calendering pressure and mass ratio on the static bending strength of WPP/WCMWR composites从图5a~图5c可以看出，3个因素对复合材料静曲强度的影响从大到小依次排序为：螺杆转速(A)压延压力(B)质量比(C)。随着螺杆转速的增加，静曲强度先较快增长后逐渐降低。因为螺杆转速增大，加强WCMWR在WPP中的分散性，材料的均一度和结合性变好。但当螺杆转速过快，导致WCMWR发生团聚现象，使其与WPP基体的相容性变差，从而使静曲强度降低。解二次多项式回归方程（2）得到，WPP/WCMWR复合材料的静曲强度最佳工艺条件为：螺杆转速71.81 r/min，压延压力4.81 MPa，质量比2.86∶1，该条件下复合材料静曲强度的预测值为63.15 MPa。2.2.3制备工艺优化方案的确定及验证从RSM法优化WPP/WCMWR复合材料冲击强度及静曲强度的结果看，两个力学指标的最佳条件并不一致，但在制备及使用复合材料过程中，须追求复合材料冲击强度和静曲强度的最大值。将冲击强度和静曲强度的权重比都设置为1，即两个指标同等重要，通过Design-Expert8.0.6软件进行实验优化，同时考虑实际操作条件，预测出复合材料最佳工艺条件为：螺杆转速71.00 r/min，压延压力4.84 MPa，质量比3∶1，该条件下WPP/WCMWR复合材料冲击强度的预测值为63.60 kJ/m2，静曲强度的预测值为63.10 MPa。结合实际操作，在最佳工艺条件下进行3次验证试验，冲击强度分别为63.74、63.55、63.48 kJ/m2，平均值为63.59 kJ/m2；静曲强度分别为62.85、63.23、63.13 MPa，平均值为63.07 MPa。两者结果基本稳定，且平均值均与预测值相近，说明响应面法对WPP/WCMWR复合材料制备工艺的优化有效。2.3WPP/WCMWR复合材料的SEM分析图6为RSM优化制备工艺前后WPP/WCMWR复合材料的SEM照片。从图6a可以看出，未优化制备工艺前WPP/WCMWR复合材料中WPP与WCMWR两者的相界面明显，材料经过冲击后，其断面出现空穴与孔洞，且WCMWR被从WPP基体中拔出。从图6b可以看出，WPP/WCMWR复合材料经过RSM法优化制备工艺后，其冲击断面显示WPP与WCMWR两者的相界面不明显，空穴数量变少，同时WCMWR未被从WPP基体中拔出。因此，经过RSM优化制备工艺后，WPP与WCMWR在WPP/WCMWR复合材料共混相容性变好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.08.018.F006图6WPP/WCMWR复合材料SEM照片Fig.6SEM images of WPP/WCMWR composites3结论（1）采用RSM法对WPP/WCMWR制备工艺进行优化，并利用Design-Expert8.0.6软件对试验数据进行拟合，得到冲击强度与静曲强度的回归模型，方差分析表明模型具有较好的拟合效果。（2）以WPP/WCMWR复合材料的冲击强度和静曲强度为目标去进行优化，通过试验得到制备工艺最优条件为螺杆转速71.00 r/min、压延压力4.84 MPa、WPP与WCMWR的质量比为3∶1；该条件下复合材料的冲击强度为63.60 kJ/m2，静曲强度为63.10 MPa。该工艺条件可为工业生产提供可行的方案。（3）经过RSM法优化制备工艺后，WPP/WCMWR复合材料中WPP与WCMWR相容性增强，材料的均质性得到提升。