聚丙烯(PP)作为五大通用塑料之一，综合性能优良，在家用电器，建筑材料，汽车制造，农业生产等领域具有广泛用途[1-4]。但PP存在明显的缺陷，如缺口敏感性高、缺口冲击强度低，难以作为公路排水管用高抗冲材料，因此提高PP的抗冲击强度具有关键意义[5]。为了满足PP材料在抗冲击领域的应用，常用的方法是使用橡胶或热塑性弹性体增韧PP，提高PP的抗冲击性能[6]。目前应用较多的材料包括三元乙丙橡胶(EPDM)[7]、硅橡胶(SR)[8]，丁苯橡胶(SBR)[9]等。郭利健等[10]以PP作为母体原料，采用马来酸酐(MAH)接枝EPDM，研究发现EPDM接枝MAH能够显著提高PP抗冲击性能。本实验采用动态硫化法制备PP/SR复合材料，研究硫化剂过氧化二异丙苯(DCP)的用量对PP/SR复合材料的性能影响，并进一步分析SR用量对PP/SR复合材料的力学性能、热性能及耐老化性能的影响，为公路排水管用高抗冲材料的制备及应用提供一定参考。1实验部分1.1主要原料聚丙烯(PP)，F4043，中国石化吉林石化有限公司；硅橡胶(SR)，S110，东莞市华岱有机硅有限公司；过氧化二异丙苯(DCP)、抗氧剂1010，工业品，安徽安邦化学试剂有限公司。1.2仪器与设备高速混合机，HC-2036，安徽科盈仪器设备公司；双螺杆挤出机，SHJSHJ-20，芜湖海程橡塑公司；注塑成型机，YT-60-C，江阴机械设备有限公司；电子万能拉力试验机，CTB673，济南中科实验仪器公司；扫描电镜仪(SEM)，S-3400，荷兰FEI公司；热重分析仪(TG)，STA449-F3，德国耐驰公司；热氧老化箱，ZT-XD-900，广东中天仪器股份有限公司。1.3样品制备按PP和SR质量比为100∶0、90∶10、80∶20、70∶30、60∶40的配比进行混合，其中，DCP的用量为0、0.4、0.8、1.2、1.6份，抗氧剂1010的用量为3份，混合均匀后，挤出造粒，温度设置为220 ℃，按GB/T 17037.1—2019将样品制成相关样条，样条尺寸为150 mm×10 mm×4 mm，温度设置为220 ℃，以备测试材料的相关性能。1.4性能测试与表征拉伸性能测试：按GB/T 1040.2—2018进行测试，拉伸速率50 mm/min。抗冲击性能测试：按GB/T 1843—2008进行测试。熔体流动速率测试：按GB/T 3682.1—2018进行测试。凝胶含量测试：称取PP/SR样品的质量记为m0，将样品放入装有二甲苯的索氏提取器中，加热回流，温度为150 ℃，48 h后提取出凝胶。用无水乙醇洗涤3次后置于100 ℃烘箱中干燥5 h，获得样品中的凝胶质量，记为m1。凝胶含量w的计算公式为：w=m1m0×100% (1)压缩永久变形测试：按GB/T 7759.1—2015进行测试，测试厚度9 mm、压缩比15%。SEM分析：对样品的断裂面喷金处理，观察表面形貌。TG分析：Ar气氛，气体流速20 mL/min，温度范围0~800 ℃，升温速率10 ℃/min。热老化性能测试：按GB/T 7141—2008进行测试，温度150 ℃，时间120 h。2结果与讨论2.1PP/SR的FTIR谱图图1为纯PP和PP/SR(80/20)样品的FTIR谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F001图1样品的FTIR谱图Fig.1FTIR spectra of samples从图1可以看出，1 423 cm-1处的峰为—Si—CH3中CH3的反对称伸缩振动吸收峰，1 542 cm-1处的强吸收峰为—Si—O—Si—的伸缩振动[11]，表明PP/SR复合材料已成功制备。2.2DCP用量对PP/SR熔体流动速率的影响采用80∶20的配比，研究DCP用量对PP/SR熔体流动速率的影响，图2为测试结果。从图2可以看出，随着DCP用量的增加，PP/SR的熔体流动速率逐渐降低，主要是由于DCP的加入使橡胶相SR发生交联，胶料内部的网络结构逐渐完善，PP/SR的流动性能逐渐减弱，因此为满足实际生产加工的要求，加入共混物中的DCP应该适量。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F002图2DCP用量对PP/SR熔体流动速率影响Fig.2Effect of DCP dosage on PP/SR melt flow rate2.3DCP用量对PP/SR缺口冲击强度的影响冲击强度是公路排水管用抗冲材料需要重点考虑的性能之一，图3为不同DCP用量对PP/SR（配比为80∶20)缺口冲击强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F003图3DCP用量对PP/SR缺口冲击强度的影响Fig.3Effect of DCP dosage on notch impact strength of PP/SR从图3可以看出，未添加DCP的PP/SR样品缺口冲击强度较低，仅为6.4 kJ/m2，无法满足高抗冲排水管道的用途。随着DCP用量的增加，PP/SR材料的缺口冲击强度呈现先增大后降低的趋势，在DCP用量为1.2份时达到最大值。分析认为：DCP用量较低时，SR相的交联密度较低，随着交联剂用量的增加，交联密度逐渐增大，交联网络趋于完善，材料受到外力作用时产生较多的银纹，吸收较多的能量，使材料的缺口冲击强度得到改善。继续增加DCP，交联密度过大，抑制分子链的运动，受到外力作用时导致内应力过大，降低材料的冲击强度[12]。2.4DCP用量对PP/SR凝胶含量及压缩永久变形的影响交联剂与橡胶相SR发生交联反应形成网络结构，从而提高PP/SR的缺口冲击强度，通过分析凝胶的含量可以比较PP/SR的交联度。图4为不同DCP用量下PP/SR的凝胶含量和压缩永久变形值。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F004图4不同DCP用量的PP/SR的凝胶含量及压缩永久变形Fig.4Gel content and compression permanent deformation of PP/SR with different DCP dosage从图4可以看出，PP/SR凝胶含量随着DCP的增加而逐步提高。当不添加DCP时，凝胶含量仅为26.4%；当DCP含量为1.2份时，凝胶含量快速增加至53.6%；DCP含量为1.6份时，凝胶含量为54.7%；当DCP大于1.2份后，凝胶含量缓慢增加。这是因为当DCP含量较低时，随着DCP的增加，产生的自由基逐步增加，自由基可以与SR发生硫化反应而交联形成凝胶，因此凝胶含量逐步增加。当DCP用量高于1.2份后，DCP分解产生过多的自由基，与PP主相分子链发生降解反应未形成凝胶，因此凝胶含量保持稳定。此外，当DCP由0份增加至1.2份，PP/SR的压缩永久变形由47.3%降低至34.3%，主要是由于PP/SR中交联的SR，在外力作用下不易发生分子链的相对滑移，在外力去除后可以快速恢复原状，因此压缩永久变形逐渐降低。当DCP用量超过1.2份后，分解产生过多的自由基使PP分子链降解为小分子链段，PP小分子链在外力作用下发生不可逆形变，因而PP/SR的压缩永久变形增加[13]。因此，当DCP用量为1.2份时，可以满足较好的加工性能，同时可以获得具有较高缺口冲击强度和较小压缩永久变形的PP/SR材料。2.5不同配比PP/SR的热性能为研究SR的加入对PP热性能的影响，分析DCP用量为1.2份，不同质量配比的PP/SR复合材料的热性能，图5为测试结果。从图5可以看出，随着SR用量增大，PP/SR复合材料的热稳定性能逐渐提高，热分解温度呈现上升趋势，说明SR的加入有利于提高PP的耐热性，且SR用量越大，热分解温度越高，材料的热稳定性越好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F005图5不同配比PP/SR的TG曲线Fig.5TG curves of PP/SR with different ratios2.6不同配比PP/SR的力学性能图6为DCP用量为1.2份时，不同配比PP/SR复合材料的力学性能。从图6可以看出，纯PP的拉伸强度较高，为39.4 MPa，断裂伸长率则较低，仅为219%，缺口冲击强度仅为4.3 kJ/m2。随着SR用量的增加，PP/SR复合材料的拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率和缺口冲击强度则呈现增大的趋势。分析认为，PP与SR为两相结构，在DCP的作用下仅SR相硫化，PP与SR不能完全相容，且SR相本身的拉伸强度较低[14]，因此拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率呈现增大趋势。而SR相的韧性较好，加入SR后，缓冲外力作用，因此缺口冲击强度逐渐增大。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F006图6不同配比PP/SR的力学性能Fig.6Mechanical properties of PP/SR with different ratios2.7不同配比PP/SR的耐老化性能表1为不同配比PP/SR复合材料热老化前后力学性能及变化率。从表1可以看出，纯PP材料热老化后力学性能变化率相对较低，均在10%左右。加入SR后，材料的力学性能与老化前相比逐渐降低，随着SR用量增大，热老化后力学性能变化率呈现逐渐增大的趋势。分析认为，PP与SR属于极性相差较大的两种材料，二者共混后相容性较差，使材料的网络结构产生较多缺陷，耐热氧老化性能随之降低。同时，采用PP和SR质量比为80∶20的材料，其老化后力学性能变化率与纯PP相差不大，因而在公路排水管用抗冲材料中，可以将PP和SR的质量比设置为80∶20，以提高材料的冲击性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.T001表1不同配比PP/SR老化后力学性能及变化率Tab.1Mechanical properties and change rate of PP/SR with various mass ratios after agingm（PP）：m（SR）拉伸强度/MPa断裂伸长率/%缺口冲击强度/（kJ·m-2）老化前老化后变化率/%老化前老化后变化率/%老化前老化后变化率/%100∶039.435.4-10.2219201-9.34.33.8-11.690∶1029.726.8-9.4266238-10.514.712.8-12.980∶2024.221.3-11.9342303-11.426.923.2-13.870∶3019.617.1-12.8404341-15.835.729.1-18.860∶4014.111.9-15.6563467-17.146.936.2-23.22.8不同配比PP/SR的SEM分析图7为不同质量配比的PP/SR复合材料的SEM照片。从图7可以看出，纯PP的脆断面较为平整，断面光滑，基本无孔洞出现。加入SR后，PP/SR复合材料的表面孔洞逐渐增加，且孔洞的尺寸增大，说明PP与SR两相的相容性不好，加入过多的SR会对材料的力学性能有不利影响，与前文分析结果基本一致。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.06.013.F007图7不同配比PP/SR的SEM照片Fig.7SEM images of PP/SR with different ratios3结论（1）当PP和SR质量比为80∶20时，随着DCP用量的增加，橡胶相SR的交联结构趋于完善，PP/SR复合材料的熔体流动速率逐渐降低，流动性减弱。随着硫化剂DCP用量的增加，样品的缺口冲击强度呈现先增大后降低的趋势，在DCP用量为1.2份时，缺口冲击强度达到最大值，压缩永久变形最小为34.3%。（2）复合材料的耐热性随着SR用量的提高而逐渐提高。SR用量增加，拉伸强度逐渐降低，断裂伸长率及缺口冲击强度呈现增大的趋势。加入过多的SR会对PP/SR的耐老化性能有不利影响。在DCP用量为1.2份，PP和SR质量比为80∶20时，材料具有较佳的综合性能，可以用作公路排水管用高抗冲材料。