回收聚酯纤维增强TPO复合材料结构与性能研究

雷同，刘笑寒，樊明帅，张雨晴，尹天歌，冯钠

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

热塑性聚烯烃弹性体（Thermo Plastic Olefin，以下简称：TPO）由橡胶和聚烯烃两部分构成，它既具有橡胶材料的特性，又具有热塑性树脂的性能，是迄今为止100%可以回收的热塑性弹性体， TPO防水材料既具有三元乙丙橡胶的耐候性，又具有塑料防水卷材的可焊接性，防水效果可靠，耐老化性能突出，以及优异的物理化学性能和环保性能，TPO防水材料已经成为当今世界增长速度最快的防水材料。在美国，TPO防水卷材已经占到美国低坡度商业屋面材料市场的24%，且年均保持23%以上的增长率。特别是随着单层屋面系统的发展，研究开发强度高且具有节能、环保效果的TPO防水卷材材料正在成为热点课题[1]。

近年来，聚酯材料（PET）因具有庞大的使用量及较高的废弃量而引起人们的高度重视，回收处理1万t r-PET塑料瓶，就等同节约石油5万t、降低3.75万t CO2排放量。无论从经济效益或者从环境保护角度看，回收聚酯（r-PET）的再利用具有可观的现实意义[2～6]。目前比较成熟的回收利用方法是生产纤维和塑料制品原料， 本论文采用R-PET纤维为增强填料，根据纤维增强机理设计复合材料增强体系，探究增强填料用量，增容剂种类及用量对TPO复合材料力学性能、硬度、尺寸稳定性、热稳定性、界面相容性的影响，本研究对环境保护和拓展R-PET的应用范围具有重要意义。

1 实验部分

1.1 主要原料及助剂

主要原料与助剂见表1。

表1 原料与助剂

1.2 主要设备及仪器

主要设备与仪器见表2。

1.3 TPO增强复合材料的制备

将一定量的TPO、增容剂和R-PET短纤在双辊开炼机上进行熔融混合，然后在平板硫化机上热压成型，冷却后即可制得到R-PET增强TPO复合材料。

1.4 性能测试及分析

1.4.1 力学性能测试

参照GB1040—79标准进行拉伸测试，拉伸速度50 mm/min；参照GB/T531—1999A对样品进行邵氏硬度测试，测试力为20 N。

1.4.2 尺寸稳定性测试

按照GB/T328.13—2007进行尺寸稳定性测试，将试样放入80℃的鼓风烘箱中，不得叠放，分别在此温度下恒温10 h、24 h，再测量长度；试件尺寸为100 mm×100 mm。分别用游标卡尺在试件各边缘处的中间位置作为测试标记点，到达测试时间以标记点长度为基准测量其变化长度并计算相应尺寸变化率。

1.4.3 热失重分析（TGA）

取质量约为5～10 mg的干燥待测样品，置于Ar氛围中，以20℃/min的升温速率由室温升温至600℃，观察曲线并记录数据。

1.4.4 扫描电子显微镜分析（SEM）

在测试前，将样品表面进行真空干燥和喷金处理。采用JSM-6460LV型（日本JEOL公司）扫描电子显微镜进行 SEM 观察。

2 结果与讨论

2.1 R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料拉伸性能影响

表3是R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料拉伸性能的影响，可以看出，与未添加R-PET短纤的纯TPO材料相比，R-PET短纤的加入，对TPO复合材料的抗拉强度与断裂伸长率有较大影响。当R-PET含量为5%时，TPO/R-PET复合材料的抗拉强度达到3.31 MPa，断裂伸长率达到221.76%，与为添加体系相比，复合材料的抗拉强度与断裂伸长率有所降低，说明在为添加增容剂的TPO/R-PET复合体系中，R-PET短纤维与TPO的界面结合力较弱，当复合材料受到外力时，R-PET纤维不能将应力有效传递给树脂基体，而是从界面发生断裂，最终导致复合材料的拉伸性能不仅没有提高，反而均出现下降。

表3 R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料拉伸性能的影响

2.2 R-PET短纤用量对复合材料硬度影响

图1 R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料硬度的影响

图2是不同R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料硬度的影响。可以看出，随着R-PET短纤用量的增加，TPO/R-PET复合材料的硬度不断增加，当R-PET短纤维用量超过5份时，复合材料的硬度达到17.8HC,比未添加的TPO材料的硬度提高了28%；当R-PET的填充量超过7.5份，复合材料的硬度基本保持不变。

图2 R-PET短纤用量对复合材料体系的尺寸变化率的影响

2.3 R-PET短纤用量对复合材料尺寸稳定性影响

见表4 R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料的尺寸稳定性的影响

表4 R-PET短纤用量对TPO/R-PET复合材料的尺寸稳定性的影响

图2和表5中是R-PET短纤用量对复合材料体系的尺寸变化率的影响。可以看出，在80 ℃烘箱中处理10 h时，复合材料的尺寸变化率先迅速升高，而后缓慢降低，当R-PET短纤加入量为7.5%时，TPO/R-PET复合材料尺寸变化率最低，为0.34%，R-PET的填充量超过7.5份后，复合材料的尺寸变化率基本保持不变。在80 ℃烘箱中处理24 h时，R-PET短纤加入量为2.5%时达到加入R-PET短纤组分中的尺寸变化率达到最低值0.19%。相比于处理10 h的复合材料的尺寸变化率，处理24 h之后的复合材料尺寸变化率明显低于处理10 h的复合材料的尺寸变化率。由此可见，随着R-PET短纤维用量增加，TPO/R-PET复合材料的尺寸稳定性提高。

2.4 TG分析

图3是R-PET短纤加入前后的TG曲线，由图2可以看出，与未添加R-PET的复合材料相比，R-PET的加入，TPO/R-PET复合材料失重率基本保持不变，说明对R-PET对TPO复合材料的热稳定性影响不大。

图3 R-PET短纤加入前后的TG曲线

2.5 增容剂用量对TPO/R-PET复合材料力学性能的影响

表5是增容剂LDPE-g-MAH用量对TPO/R-PET复合材料的力学性能影响的数据表，可以看出，增容剂对TPO/R-PET复合材料的强度和断裂伸长率影响较大，随着LDPE-g-MAH用量的增加，TPO复合材料的抗拉强度与断裂伸长率呈现增大的趋势。当LDPE-g-MAH的用量为6%时，复合材料的抗拉强度达到最大值4.85 MPa，断裂伸长率也相应达到最大值388.98%，继续增加增容剂的用量，复合体系的拉伸性能稍有降低。说明该体系中增容剂LDPE-g-MAH能够起到良好的增容作用，使R-PET短纤与TPO树脂基体界面间相互作用增强，当复合材料受到拉伸应力作用时，R-PET短纤起到骨架增强作用，R-PET短纤与树脂基体共同抵抗外力作用，因而使复合材料的力学性能得到更好的提高。同时，增容剂的加入对TPO/R-PET复合材料的硬度也有一定的影响，当LDPE-g-MAH用量为7.5份时，TPO/R-PET复合材料的硬度达到19.7HC。

2.6 LDPE-g-MAH增容剂对TPO/R-PET复合材料微观结构的影响

图4是不同LDPE-g-MAH增容剂用量下对TPO/R-PET复合材料拉伸断面的SEM照片，可以看出，增容剂LDPE-g-MAH的加入，对TPO与R-PET短纤维的界面相互作用影响较大，当添加量较低时，界面相互作用较小，拉伸断面从两者的断面脱开，继续增加增容剂的用量，界面相互作用增加，当增容剂用量达到6份时，界面结合良好，拉伸断面没有看到从界面脱开的现象。说明LDPE-g-MAH增容剂能够起到良好的增容作用。

表5 不同增容剂用量下TPO/R-PET复合材料的力学性能数据表

3 结论

（1）R-PET对TPO/R-PET复合材料的拉伸性能有较大影响。当R-PET含量为5%时，TPO/R-P ET/PP-g-MAH复合材料的抗拉强度达到3.31 MPa，断裂伸长率达到221.76%；

（2）R-PET短纤用量能够提高TPO/R-PET复合材料的硬度，当R-PET短纤维用量超过5份时，复合材料的硬度达到17.8HC，比未添加的TPO材料的硬度提高了28%。

（3）R-PET短纤用量对复合材料体系的尺寸变化率的影响较大，处理24 h的复合材料尺寸变化率明显低于处理10 h的复合材料的尺寸变化率。

（4）当LDPE-g-MAH为增容剂，用量为6份时，TPO/R-PET复合材料的力学性能有较大提高，复合材料的抗拉强度达到4.85 MPa，断裂伸长率也相应达到最大值388.98%。SEM分析表明，随着LDPE-g-MAH份数增加，TPO与R-PET界面相互作用增强，具有较好的相容性。

图4 不同增容剂用量下TPO/R-PET复合材料的SEM照片