近年来，汽车内饰件具有低光泽、软触感等优点，在市场中具有较高热度[1]。但传统内饰件以人造革或真皮材料为主[2-3]，并且加工昂贵、生产成本较高，影响消费者体验[4-5]。因此，需要开发具有低成本、低光泽、高强度的软触感复合材料，以替代现有材料，实现产品升级。软触感高强度聚乙烯(PE)材料通常要求邵氏A硬度低于80，模量高于600 MPa，但未改性的PE难以达到该要求，因此需要对PE进行改性处理。乙烯-辛烯共聚物(POE)具有极佳的触感和良好的加工性能，在复合材料中可以达到降低表面硬度、提升触感和增韧的效果[6-8]。但POE的加入会降低复合材料的刚性，限制材料的应用，需要对复合材料进行增刚处理。层状双氢氧化物(LDH)在我国储量庞大、极易开采，能够提高复合材料的力学性能和阻燃性能[9-10]，但LDH表面复合极性基团，与复合材料基体相容性差，需要对其进行表面改性处理，提升其在聚合物中分散性能[11]。本实验对LDH进行改性处理，以PE为基体，分别加入POE、改性LDH，制备PE/POE/改性LDH三元复合材料。并探究POE含量、改性LDH含量对复合材料力学性能、耐刮擦性能、光泽度、热稳定性和表面硬度的影响。1实验部分1.1主要原料低密度聚乙烯(LDPE)，3040D，利安德巴塞尔工业公司；乙烯-辛烯共聚物(POE)，8450，陶氏化学公司；水滑石(LDH)，HT3，凯司玛（丹东）高新材料科技有限公司；抗氧剂1010，工业级，北京极易化工有限公司；抗氧剂168，工业级，东莞市长河化工有限公司；黑色母粒，PE2718，美国卡博特公司；硅烷偶联剂，KH-570，分析纯，阿拉丁试剂（上海）有限公司。1.2仪器与设备同向平行双螺杆挤出机，KET65，南京科尔特机械设备有限公司；塑料注塑成型机，PL860，无锡海天机械有限公司；数显半自动冲击试验机，JB-300S，山东联工检测设备有限公司；电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统（中国）有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quanta FEG 250，美国FEI公司；傅里叶变换红外光谱仪，FTIR-850，天津港东科技股份有限公司；热重分析仪，MKC-M1C，青岛迈威微波化学设备有限公司；测色仪，Sp62，爱色丽色彩仪器公司；仪力信硬度测试笔，318（笔头直径1.6 mm），德国仪力信公司；触摸屏三角度光泽度计，NHG268，深圳市三恩时科技有限公司。1.3样品制备LDH的表面改性：取10 g KH-570溶解于1 L 90%的甲醇溶液中，加入1 mL醋酸，搅拌下水解4 h。称取1 kg LDH，倒入水解好的甲醇溶液，升温至80 ℃后，继续搅拌2 h，过滤，用无水乙醇洗涤滤渣3次。将滤渣置于鼓风烘箱中干燥，磨细，得到改性LDH。PE/POE/改性LDH三元复合材料制备：表1为PE/POE/改性LDH三元复合材料配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1PE/POE/改性LDH三元复合材料配方Tab.1Formula of PE/POE/ modified LDH ternary composites样品编号PEPOE改性LDHLDH1100000290100038020004703000560400065050007604010086040010份phr将PE与POE按100份计，按照表1配方与LDH混合后，分别加入0.15份抗氧剂1010、0.15份抗氧剂168、0.5份PE2718。用混料袋混匀后投入双螺杆挤出机中，在170~200 ℃下挤出、造粒，得到PE/POE/改性LDH复合材料。1.4性能测试与表征FTIR测试：测试范围为500~4 000 cm-1。弯曲性能测试：按GB/T 9341—2008进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。冲击强度测试：按GB/T 1843—2008进行测试，样条尺寸80 mm×10 mm×4 mm。SEM分析：对断面喷金处理，观察断面表面形貌。TG分析：N2气氛，升温速率为20 ℃/min。耐刮擦性能测试：样板尺寸100 mm×100 mm。表面光泽度测试：样板尺寸100 mm×100 mm，光源入射角60°。表面硬度测试：样板尺寸100 mm×100 mm×4 mm。2结果和讨论2.1FTIR分析图1为LDH和改性LDH的FTIR谱图。从图1可以看出，偶联剂处理后，LDH在1 186 cm-1处的峰为C—C键伸缩振动峰。在2 885 cm-1处和2 844 cm-1处的吸收峰强度明显提高，说明产生更多C—H键伸缩振动特征峰，表明偶联剂KH-570改性LDH制备成功。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1LDH和改性LDH红外谱图Fig.1FTIR spectra of LDH and modified LDH2.2POE含量对复合材料性能的影响图2为POE含量对复合材料力学性能的影响。从图2可以看出，复合材料刚性与POE含量呈负相关，而韧性随POE含量的增加呈现先增加后迅速下降的趋势。当POE含量为40份时，复合材料的弯曲强度从纯PE的17.2 MPa降至15.3 MPa，弯曲模量从669 MPa降至554 MPa，而冲击强度从33.1 kJ/m2升至43.3 kJ/m2。继续提高POE含量至50份时，冲击强度迅速降至36.0 kJ/m2，并且弯曲强度和弯曲模量分别降至14.7 MPa、505 MPa。这是因为POE的辛烯链段破坏了PE链段结晶，而剩余PE链段能够起到交联点的作用，POE具有较好的弹性体特性，因此复合材料刚性明显下降。但同时，POE在复合材料中以颗粒状存在，能够起到分散应力的作用，提高复合材料的韧性。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2POE含量对复合材料力学性能的影响Fig.2Influence of POE content on the mechanical properties of composites图3为POE含量对复合材料表面硬度的影响。从图3可以看出，复合材料表面硬度随POE含量的增加而降低。当POE含量为40份，复合材料表面硬度从86降至49；当POE含量为50份时，表面硬度降至45。原因是极软的POE颗粒浮于复合材料表面，降低表面硬度。通常，邵A硬度低于50可被定义为软触感材料，因此，POE含量应为40~50份，复合材料触感最佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3POE含量对复合材料表面硬度的影响Fig.3Influence of POE content on the surface hardness of composites图4为POE含量对复合材料外观性能的影响。从图4可以看出，复合材料光泽度、刮痕发白性能随着POE含量的增加呈现降低趋势。当POE含量为50份时，表面光泽度从未添加POE的76°降至35°，刮痕处ΔL从3.1左右降至2.9左右。这是因为表面以及近表面的POE颗粒改变复合材料黏-弹特性，利用自身形变吸收部分刮擦带来的应力，从而减少复合材料表面刮痕处滑移，减少刮痕发白的现象。但过高的POE含量使复合材料表面硬度迅速降低，刮擦笔更容易引发复合材料表面不可逆形变，并且POE表面能较低，黏度较高，因此复合材料更容易与刮擦笔相黏，使刮擦能更多地传递到复合材料刮痕处，导致复合材料ΔL提高。POE与PE比例变化对复合材料耐刮擦性能影响不大，但可以明显降低复合材料光泽度，更低的光泽度可以提升复合材料的外观品质，因此在POE含量大于30份时，外观性能较优。但由于POE含量为50份时，PE在复合材料中组分含量下降，导致PE不能在复合材料中形成连续相，使复合材料内部失去支撑，复合材料刚性、韧性同时下降，因此，选择POE含量为40份的PE/POE复合材料为基础，进一步探讨LDH对复合材料性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4POE含量对复合材料外观性能的影响Fig.4Influence of POE content on the appearance performance of composites2.3改性LDH对复合材料性能的影响表2为改性LDH对复合材料性能的影响。从表2可以看出，改性LDH复合材料无论是弯曲强度、弯曲模量、表面硬度还是ΔL都明显低于未改性LDH复合材料，而冲击强度和光泽度明显优于后者。其中，冲击强度提高明显，达到66.0%左右。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2改性LDH对复合材料性能的影响Tab.2Effect of modified LDH on properties of compositesLDH种类弯曲强度/MPa弯曲模量/MPa冲击强度/（kJ‧m-2）表面硬度ΔL光泽度/（°）未改性LDH17.367929.4614.429改性LDH16.665648.8534.132出现这一现象的原因是LDH表面富含羟基，而复合材料基体呈明显的疏水亲油性，因此未改性LDH在复合材料中相容性较差，易形成团聚状态，或浮于复合材料表面，在复合材料表面形成累积。未改性的LDH颗粒更容易在复合材料中形成大颗粒状态，从而具有更明显的各向异性，在复合材料中起到支撑作用，因此在加入未改性LDH时复合材料刚性更高，但同时却导致复合材料间分散性能差，引起应力集中现象，导致复合材料断裂时裂纹从相界面处迅速剥离，降低了复合材料的冲击强度。此外，由于LDH颗粒是刚性粒子，当更多的LDH浮于复合材料表面时，将降低复合材料表面平整度、降低复合材料光泽度的同时，导致复合材料表面硬度明显提高。并且LDH颗粒无法被炭黑浸染，刮擦过程中，浅层的LDH颗粒将被翻出，相比于改性LDH复合材料，刮痕处出现更多的白色颗粒，从而导致ΔL明显提高。尽管改性LDH复合材料的刚性、光泽度略差于未改性LDH复合材料，但复合材料可以获得更低的表面硬度、更好的韧性和更优的耐刮擦性能，因此，改性LDH性能更佳。2.4SEM分析图5为复合材料的SEM照片。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5复合材料SEM照片Fig.5SEM images of composites从图5a可以看出，材料脆断面层次分明，无明显发白现象，说明纯PE下复合材料体现脆性断裂，PE表面无法观察到塑性形变，因此复合材料韧性较差。从图5b可以看出，加入POE后，复合材料断面边缘发白现象明显增加，说明复合材料断面表现出韧性断裂的特征，有部分应力方向从冲击面延伸方向转向与冲击面垂直方向，表现为使复合材料发生塑性形变，内部产生部分空洞，导致断面处有部分发白。这一现象使冲击应力得以被复合材料塑性形变所转移，降低冲击面所受冲击力，提高冲断复合材料所需的最大冲击功，从而提高复合材料的冲击强度。从图5c可以看出，脆断面明显出现发白现象，断面形貌变得有序平整，说明改性LDH能够继续改善复合材料塑性形变性能，从而提高复合材料冲击强度。原因可能是改性LDH的片状结构具有一定刚性，在复合材料冲击过程中，垂直于应力方向的LDH颗粒能够起到转移应力方向的作用，并能够阻隔复合材料滑移，提高滑移单位长度所需功，因此复合材料断面较为平整、应力发白明显增加，且冲击强度明显提高。2.5热稳定性分析图6为复合材料的TG曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6复合材料TG曲线Fig.6TG curves of composites从图6可以看出，复合材料残余质量均随温度的升高而降低，不同样品间热失重曲线在440 ℃以后出现较明显的差距。POE对PE的耐热性能无明显影响，但加入8份改性LDH后，在340~400 ℃范围内复合材料热失重率明显低于PE/POE复合材料，这是因为在这一阶段改性LDH发生明显水解，释放出大量结合水，带走复合材料基体热量。这一现象说明改性LDH能够明显提高复合材料热稳定性，有助于提高复合材料阻燃性能。3结论（1）POE能够明显降低PE表面硬度、光泽度和刮痕发白度，提升PE冲击强度，但会明显降低复合材料刚性。（2）改性LDH能够使复合材料刚性更低、韧性更高，并具有更低的表面硬度和更好的耐刮擦性能，但光泽度略高于前者。（3）当POE含量为40份、改性LDH含量为8份时，能够得到综合性能最优的复合材料，其冲击强度能够达到48.8 kJ/m2，弯曲模量达到656 MPa，表面邵氏A硬度为53，表面光泽度为32°，具有较好的热稳定性，复合材料具有软触感、低光泽和高强度的特点。