楊繼年，朱金波，丁國新，孟翠平

（1.安徽理工大學材料科學與工程學院，淮南232001；2.河北師范大學，石家莊050024）

0 引 言

通過機械切割或研磨等手段將廢舊橡膠制品（如廢舊橡膠輪胎、膠管、膠帶、密封件、墊板等）粉碎成粉末狀粒料，即廢膠粉（WRP），是繼再生膠之后回收利用廢舊橡膠制品的主要途徑之一。由于WRP具有顆粒細小和易于混合的特性，因此在各種橡膠、樹脂制品、改性瀝青及防水卷材等建筑材料領域具有廣闊的應用前景。為了使WRP／橡膠制品具有高韌性及一定的強度，通常WRP 在天然橡膠中的添加量（質量分數，下同）在10%左右，否則將會使 WRP／橡膠制品的力學性能大幅降低［1］。WRP在改性瀝青中的添加量增至15%～20%時能大幅改善瀝青的性能并提高其使用壽命［2］；而與塑料進行共混制備復合材料或熱塑性彈性體時，其添加量可高達復合體系的90%，具有較高的性價比［3］。可見，將WRP 與塑料進行共混是其回收利用的一條十分有效的途徑，已成為WRP 最為重要的發(fā)展趨勢，世界各國對其進行過大量的研究。李巖［4］等曾經從力學性能的影響因素和斷裂機理等方面出發(fā)，綜述了WRP／塑料共混物的研究現(xiàn)狀。在此基礎上，作者著重介紹了近十年來WRP 與各類熱塑（固）性塑料共混物的研究新進展。

1 WRP／塑料共混物的種類及性能

1.1 WRP／聚乙烯（PE）共混物

由于WRP是一種由橡膠、炭黑、軟化劑及硫化促進劑等組成且含交聯(lián)結構的材料，其表面呈明顯的惰性，與樹脂基體之間存在著較強的極性差異，在直接共混的情況下往往難以形成較好的界面結合，使共混體系的性能得不到提高，甚至降低［5-9］。甕子良等［5］用熔融共混和模壓成型工藝制備了WRP／高密度PE（HDPE）熱塑性彈性體，發(fā)現(xiàn)隨著WRP相對含量的增加，共混體系的室溫拉伸強度和撕裂強度均下降，而斷裂伸長率增大；但60 ℃時的熱拉伸性能均下降，表現(xiàn)出基體斷裂行為。呂智超等［6］考察了在不同的熱剪切加工條件下WRP在WRP／低密度PE（LDPE）共混物中的形態(tài)演變及性能后發(fā)現(xiàn)，雖然適當的熱剪切作用可以使WRP 的粒徑從初始的600～850μm 細化到10μm 左右，但仍有一些粒徑大于100μm 的大顆粒存在于共混體系中，這也是導致WRP／LDPE 共混物的力學性能難以顯著提高的主要原因。Sonnier等［7］的研究也顯示將未經處理的WRP引入HDPE 和LDPE 后，共混物的力學性能呈現(xiàn)類似線性下降的趨勢。

因此，為了改善WRP與PE基體之間的界面相容性，有必要對WRP 進行表面改性。但單純地采用γ射線輻照或高錳酸鉀氧化處理的方式對WRP表面進行改性并不能很好地改善兩者的界面結合，在共混物的拉伸強度、彈性模量、斷裂伸長率和沖擊強度上也沒有表現(xiàn)出良好的改善效果［7，10］。為此Sonnier等［11］采用γ射線輻照對WRP／HPDE（50／50）共混物進行原位增容改性，發(fā)現(xiàn)當輻射劑量為25～50kGy時，可使共混體系彈性模量和屈服應力分別提高約10%和30%；他們推斷這是由于γ射線的輻射促進了自由基的形成、橡膠粒子的鏈斷裂以及共混兩相在界面處的交聯(lián)效應所致。為了進一步驗證自己的想法，他們［12］根據自由基聚合機理，在WRP／HDPE（50／50）共混體系中引入適量的過氧化二異丙苯（DCP）后發(fā)現(xiàn)，當DCP 的添加量為0.1%時即可使拉伸強度提高20%，當添加2%時則可使斷裂伸長率和沖擊性能提升近1倍，其力學性能要明顯優(yōu)于在50kGy劑量的γ射線輻照處理后的體系；其原因歸結于DCP在兩相的界面處引入了大量的活性自由基團，促進了WRP 與基體之間產生交聯(lián)效應的緣故。

越來越多的研究者開始嘗試對共混組分的本身進行修飾或采用添加相應接枝物的方式促進WRP與PE 基體的相容性，從而達到改善共混體系性能的目的［5，8，9，13-16］。賴銘等［9］發(fā)現(xiàn)若能在WRP／PE（30／70）體系中引入5份的硅烷偶聯(lián)劑接枝HDPE（HDPE-g-A171）則可使共混物的拉伸強度和缺口沖擊韌性分別從14.4MPa和14.8kJ·m-2提高到20.7MPa和39.6kJ·m-2，達到了純PE的82.8%和176%；若添加10 份馬來酸酐接枝PE （PE-g-MAH）可使其缺口沖擊強度高達60.9 kJ·m-2［13］。羅 玲 等［15］的 研 究 顯 示 引 入 質 量 分 數 為17%的馬來酸酐接枝WRP（WRP-g-MAH）可顯著改善WRP／HPDE（50／100）共混物的力學性能，其拉伸和撕裂強度分別提高了約40%和15%。Ouyang等［8］較為系統(tǒng)地研究了五種界面相容劑后發(fā)現(xiàn)，PE-g-MAH 和馬來酸酐接枝乙烯-1-辛稀共聚物（EOC-g-MAH）均能大幅提高WRP／LDPE 共混物的拉伸強度和韌性，且以添加5%質量分數的EOCg-MAH 改性體系的斷裂韌度最高，達到2 032.3 MJ·m-3，較 未 改 性 試 樣 提 高 了45%。Guo等［14］通過在WRP／LLDPE（70／30）共混體系中引入環(huán)氧化天然橡膠（ENR）和固相接枝LLDPE（LLDPE-g-VM）的雙組分相容劑，發(fā)現(xiàn)隨著雙組分相容劑的含量增大，共混體系的拉伸強度、撕裂強度和斷裂伸長率均有顯著提升。雖然相容劑的引入能夠明顯改善WRP與HDPE 之間的界面相容性，但其加入順序也會對WRP／HDPE 共混物的力學性能也有一定的影響，應先將相容劑與HDPE 進行熔融共混后，再加入WRP［16］。

雖然WRP的引入能改善WRP／LDPE 的斷裂伸長率，但往往會使硬度、拉伸強度和沖擊韌性降低，針對這一缺點國內外的研究者也嘗試著在共混體系中摻入適當的橡膠或彈性體，通過制備彈性體／WRP／PE三元共混物的途徑來提高共混體系的性能。雖然有研究顯示，在WRP／PE體系中摻混一定量的極性聚合物，如乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA），能夠有效地促進WRP 與基體之間的界面相容，提高共混物的力學性能［17］；但Li等［18］的研究表明，在WRP／HDPE共混體系中引入EOC 的效果比引入EVA 的更好。這主要是由于EOC 與WRP之間的界面能較小，EOC 在基體中部分呈微粒狀隨機分散，部分包裹住WRP，而EVA 與WRP呈現(xiàn)明顯的兩相分離的緣故。他們［19］還將硫化劑（DCP）引入了彈性體／WRP／HDPE三元共混體系，發(fā)現(xiàn)經過動態(tài)硫化后的共混物能夠獲得更為優(yōu)異的綜合性能。這主要是由于各組成相界面處發(fā)生了部分硫化交聯(lián)所致，這和Radhesh［20］等的報道結果相一致。而在不使用交聯(lián)劑的情況下，若將三元乙丙橡膠（EPDM）／WRP／HDPE （75／25／50）三 元 體 系 暴 露 在150kGy劑量的γ射線輻照后，同樣能提高其交聯(lián)度，且使拉伸強度和彈性模量達到甚至超過EPDM／HDPE（100／75）共混體系的，且熱穩(wěn)定性能也得到顯著提高，證實了在保持制品性能不變或提高時，利用價格低廉的WRP部分替代EPDM 的可能性和可行性［21］。

近十年以來國內外對WRP／PE 共混體系進行了大量的研究，通過組分和工藝的優(yōu)化制備出了綜合性能優(yōu)異的熱塑性彈性體，尤其是共混物的強度和韌性均有顯著的改善和提高，但這往往是以犧牲基體材料的剛度為代價，因此在結構制品的配方中WRP的添加量應控制在較低水平［22］。

1.2 WRP／聚丙烯（PP）共混物

作為應用最為廣泛的通用樹脂之一，PP具有優(yōu)異的物理、化學和力學性能，其與WRP的共混也一直頗受國內外研究人員的關注。目前的研究主要是針對PP結晶度高和沖擊韌性低的缺點進行增韌改性，探索WRP部分或完全替代EOC、EPDM 等PP常用增韌改性劑和降低生產成本的可行性。劉晶等［23］認為雖然在二次回收PP中添加80份的WRP才能獲得與添加20份EOC 相當的缺口沖擊強度，但由于WRP具有非常低廉的價格及其對共混體系的強度和熱性能有更高的保持率，因此可以通過調整WRP在共混物中的比例來制備出成本低、沖擊韌性好且具有相當強度和耐熱性的橡塑復合材料。Lee等［24］發(fā)現(xiàn)在WRP／PP（65／35）共混體系中引入5～10份的馬來酸酐接枝氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS-g-MAH）或用PP-g-MAH 替代PP，則能夠在一定程度上改善WRP與基體間的極性差異，有助于獲得更佳的力學性能；若先對WRP進行紫外光接枝丙烯胺改性，再與SEBS-g-MAH 或PPg-MAH 協(xié)同作用，則可以通過丙烯胺中的氨基（-NH2）與MAH 基團之間的化學鍵結合效應大幅提高WRP與PP的界面結合強度，使共混物的拉伸強度和斷裂伸長率得到顯著提升［25-26］，其最高增幅可分別達到14.6%和7倍［27］。鄢志兵等［28］發(fā)現(xiàn)在WRP／PP（30／70）中 引 入 二 乙 烯 苯（DVB）和MAH 雙單體進行反應增容改性也具有相同效果，雙單體在共混過程中的協(xié)同效應起到了適度交聯(lián)基體、細化WRP顆粒和促進界面相容的作用，從而使其力學性能較簡單共混體系有了大幅提升。與純PP相比，增容改性后共混體的沖擊韌性大幅提高了近2.5倍，而拉伸和彎曲強度仍分別保持為純PP的88.6%和89.2%。

Zhang等［27］將WRP進行脫硫處理后用瀝青進行改性，再與PP共混制備出了熱塑性彈性體，并發(fā)現(xiàn)雖然改性WRP和不同相容劑的共同作用降低了彈性體的拉伸強度，但卻大幅提高了其斷裂伸長率。其中以添加SEBS-g-MAH 相容劑的綜合性能最佳，其拉伸強度從9.8 MPa僅下降到8.4 MPa，而斷裂伸長率卻從51.6%大幅提升到305.2%，且熱穩(wěn)定性能也得到顯著改善。Magioli［29］則直接在WRP／PP（70／30）體系中引入苯乙烯-丁二烯共聚物（SBS），發(fā)現(xiàn)在雙馬來酰亞胺（BMI）和DCP 存在的情況下，動態(tài)硫化能提高共混物的力學性能是由于BMI同時充當了固化劑和相容劑的角色。馮予星等［30］對一系列的表面修飾劑在包覆改性WRP／PP共混體系中的應用效果進行了比較和分析后發(fā)現(xiàn)，要制備具有優(yōu)異性能的熱塑性彈性體，其關鍵之處是獲得強結合界面和合適的界面模量過渡，而這與表面修飾劑和相容劑的種類和性能及與WRP和基體之間的交互作用密切相關。

由以上分析可見，適當的界面相容劑在提高WRP／PP共混體系的性能方面具有舉足輕重的作用。與WRP／PE體系相比，目前還鮮有研究者用高能射線（如γ射線或電子束輻照等）或引入化學自由基的方法來提高WRP／PP 共混物的性能。這固然是由于添加界面相容劑具有工藝簡單且能顯著提高兩相的界面性能的緣故；同時也與PP 本身在交聯(lián)的同時極易降解，從而導致基體性能大幅降低的因素密切相關。

1.3 WRP／聚氯乙烯（PVC）共混物

雖然Ghaisas等［31］利用極性相容原理直接共混制備的廢丁腈橡膠（WNBR）膠粉／PVC 共混物與PVC相比，其沖擊性能和斷裂伸長率均有大幅提升，但WRP往往是多種廢舊橡膠的混合物，與PVC之間依然存在著界面相容問題。為此，馮予星等［32］采用丁腈橡膠（NBR）和氯化PE（CPE）作為WRP／PVC（70／30）的增容劑，發(fā)現(xiàn)改性體系的拉伸強度比未改性體系的提高2倍多，且以添加7份NBR 的效果最佳。Tan等［33］在偶氮二異丁晴（AIBN）的引發(fā)下，用氯氣對WRP進行表面氯化處理，制備了氯化WRP（Cl-WRP）／PVC 共混物，并與WRP／PVC的結構與性能進行了對比分析，結果發(fā)現(xiàn)氯化處理能夠顯著增強Cl-WRP 與基體之間的交互作用和界面結合性能，提高了Cl-WRP／PVC 體系的抗甲苯溶脹能力和熱穩(wěn)定性，且拉伸和撕裂強度要明顯高于WRP／PVC體系。李巖等［34］利用等離子體對WRP進行表面改性，發(fā)現(xiàn)在氧氣氣氛下處理WRP能提高其親水性，強化與PVC 基體的界面，使改性WRP／PVC復合材料的沖擊強度、拉伸強度和斷裂伸長率比未改性的分別提高了35%，8%和135%。

傳統(tǒng)的機械剪碎和低溫研磨等工藝生產的WRP粒徑多在數十至數百微米之間，且WRP本身的交聯(lián)結構導致其在熔融共混過程中很難被再次細化，達不到橡膠相的最佳增容粒徑范圍（幾微米），在不借助界面相容劑的作用時，其粒徑變化往往對共混物的性能提升有限［32］。而金波等［35］用溶劑溶脹加機械粉碎復合工藝制備的WRP 對PVC 進行增韌改性后發(fā)現(xiàn)，通過簡單共混工藝即能將宏觀尺寸為數百微米的WRP 在PVC 基體中進一步破碎至微米級，且原始尺寸越細，分散性越好，對PVC的增韌效果也越好；當添加質量分數為10%、粒徑為120μm的WRP 后，WRP／PVC 的沖擊韌性增大至69kJ·m-2，比純PVC 提高了146.4%，而剛度僅稍下降了5.04%。

1.4 WRP／聚苯乙烯（PS）共混物

Mou等［36］用增強反應法制備了WRP 增韌PS共混體系，在WRP 粒徑為150μm、添加量為40%時可使WRP／PS的沖擊韌性比純PS提高10倍，而拉伸強度能保持50%以上，且粒徑分布對增韌效果影響不大，表明用增強反應法制備機械破碎的WRP／PS共混物時不必過分磨細WRP，也不必過分追求膠粉粒度均一。王浩等［37］的研究揭示了未處理WRP對PS有一定的增韌作用，但效果不佳，但通過鈦酸酯偶聯(lián)劑對WRP進行表面預處理或在體系中添加SBS可使復合材料的拉伸強度和韌性均有所改善。

1.5 WRP／環(huán)氧樹脂（EP）共混物

目前，利用WRP對熱固性樹脂，如EP等，進行增韌改性的報道還較少，相關研究還未引起人們足夠的關注。Kaynak等［38］采用了乙烯基三乙氧基硅烷（A151）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷（A1100）、氧等離子體＋A151、丙烯酸、丙烯酸／過氧化苯甲?；旌弦旱任宸N表面改性劑對WRP與EP的界面進行改性，可使WRP／EP（5／95）復合材料的斷裂韌度比未改性的提高50%。Fan等［39］發(fā)現(xiàn)經過表面接枝聚酰胺-胺型樹枝狀高分子（PAMAM）后的WRP 既可以作為EP 的固化劑，又可以作為其潛在的增韌改性劑。游長江等［40］將經過微波輻射脫硫改性的WRP引入中空玻璃微珠／EP 復合材料，發(fā)現(xiàn)當微波輻射功率為650 W、輻射時間為150s時，復合材料的拉伸強度和沖擊強度最大。

1.6 WRP／其它樹脂共混物

除了以上提到的共混體系外，Hassan 等［41］將WRP與回收尼龍（rPA）進行熔融共混后置于不同劑量的γ射線下進行輻照改性，發(fā)現(xiàn)γ射線同樣能促進WRP與rPA 之間的界面相容而改善了WRP／rPA 共混體系的熱穩(wěn)定性。李軍偉［42］比較了三種不同的WRP（包括廢舊NBR、EPDM 和雜膠粉）填充ABS的力學性能，發(fā)現(xiàn)未經處理的WRP與ABS的相容性差，且只有廢舊NBR 能夠提高ABS的沖擊韌性，達到增韌的目的。

2 界面增容方法比較

現(xiàn)有的文獻報道中，對WRP 與樹脂增容改性的方法主要有表面處理、原位增容和添加相容劑三種方法。

表面處理包括表面包覆［30，38］、表面接枝［25-26，39］和表面 氧 化［7，34，40］等，其 主 要 是 針 對WRP 進 行 改性。通過表面處理可以在WRP表面形成羰基（C＝O）、羥基（-OH）、碳碳雙鍵（C＝C）或特定的官能團，使WRP表面活化而能夠與樹脂基體在界面處形成物理纏結或化學鍵合，從而達到改善界面相容性的目的。原位增容改性可以通過γ射線輻照［11，21，41］、電子束輻照［17］及動態(tài)硫化處理［12，19-20］等途徑來實現(xiàn)，主要是基于自由基聚合機理，通過高能射線引發(fā)或引入過氧化物等方法在共混體系中形成大量的自由基，使WRP與樹脂基體能夠在界面處形成適度的交聯(lián)而顯著提高兩者的界面結合強度。相比較而言，添加界面相容劑在三種改性方法中最為簡便且卓有成效，少量的添加即能獲得較好的改性效果，若能與表面處理或原位增容等方法相結合，則效果更佳。

3 結束語

綜上可見，WRP 在填充（增韌）改性樹脂制備熱塑性彈性體或復合材料方面具有重要經濟效益和環(huán)保意義，但仍需重點解決WRP 與樹脂的兩相界面相容性問題，進一步提高WRP的加入量，制備性能更為優(yōu)良的WRP／樹脂共混物。雖然目前有關WRP對樹脂增韌改性的報道還較少，但自發(fā)現(xiàn)WRP的粒徑對WRP／樹脂共混體系的力學性能有顯著影響后，則有望利用WRP 制備高韌性且具有較高強度和剛度的復合材料，使其能夠應用在結構材料領域。今后的研究工作可主要從以下三個方面開展：一是探索新型預處理工藝和加工方法，使WRP的粒徑能夠在熔融共混過程中進一步細化；二是開發(fā)能夠獲得具有微米，甚至納米尺度WRP的新型制備方法和技術；三是實現(xiàn)WRP 的復合功能化研究，拓寬應用領域。

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