杨继年，朱金波，丁国新，孟翠平

（1.安徽理工大学材料科学与工程学院，淮南232001；2.河北师范大学，石家庄050024）

0 引 言

通过机械切割或研磨等手段将废旧橡胶制品（如废旧橡胶轮胎、胶管、胶带、密封件、垫板等）粉碎成粉末状粒料，即废胶粉（WRP），是继再生胶之后回收利用废旧橡胶制品的主要途径之一。由于WRP具有颗粒细小和易于混合的特性，因此在各种橡胶、树脂制品、改性沥青及防水卷材等建筑材料领域具有广阔的应用前景。为了使WRP／橡胶制品具有高韧性及一定的强度，通常WRP 在天然橡胶中的添加量（质量分数，下同）在10%左右，否则将会使 WRP／橡胶制品的力学性能大幅降低［1］。WRP在改性沥青中的添加量增至15%～20%时能大幅改善沥青的性能并提高其使用寿命［2］；而与塑料进行共混制备复合材料或热塑性弹性体时，其添加量可高达复合体系的90%，具有较高的性价比［3］。可见，将WRP 与塑料进行共混是其回收利用的一条十分有效的途径，已成为WRP 最为重要的发展趋势，世界各国对其进行过大量的研究。李岩［4］等曾经从力学性能的影响因素和断裂机理等方面出发，综述了WRP／塑料共混物的研究现状。在此基础上，作者着重介绍了近十年来WRP 与各类热塑（固）性塑料共混物的研究新进展。

1 WRP／塑料共混物的种类及性能

1.1 WRP／聚乙烯（PE）共混物

由于WRP是一种由橡胶、炭黑、软化剂及硫化促进剂等组成且含交联结构的材料，其表面呈明显的惰性，与树脂基体之间存在着较强的极性差异，在直接共混的情况下往往难以形成较好的界面结合，使共混体系的性能得不到提高，甚至降低［5-9］。瓮子良等［5］用熔融共混和模压成型工艺制备了WRP／高密度PE（HDPE）热塑性弹性体，发现随着WRP相对含量的增加，共混体系的室温拉伸强度和撕裂强度均下降，而断裂伸长率增大；但60 ℃时的热拉伸性能均下降，表现出基体断裂行为。吕智超等［6］考察了在不同的热剪切加工条件下WRP在WRP／低密度PE（LDPE）共混物中的形态演变及性能后发现，虽然适当的热剪切作用可以使WRP 的粒径从初始的600～850μm 细化到10μm 左右，但仍有一些粒径大于100μm 的大颗粒存在于共混体系中，这也是导致WRP／LDPE 共混物的力学性能难以显著提高的主要原因。Sonnier等［7］的研究也显示将未经处理的WRP引入HDPE 和LDPE 后，共混物的力学性能呈现类似线性下降的趋势。

因此，为了改善WRP与PE基体之间的界面相容性，有必要对WRP 进行表面改性。但单纯地采用γ射线辐照或高锰酸钾氧化处理的方式对WRP表面进行改性并不能很好地改善两者的界面结合，在共混物的拉伸强度、弹性模量、断裂伸长率和冲击强度上也没有表现出良好的改善效果［7，10］。为此Sonnier等［11］采用γ射线辐照对WRP／HPDE（50／50）共混物进行原位增容改性，发现当辐射剂量为25～50kGy时，可使共混体系弹性模量和屈服应力分别提高约10%和30%；他们推断这是由于γ射线的辐射促进了自由基的形成、橡胶粒子的链断裂以及共混两相在界面处的交联效应所致。为了进一步验证自己的想法，他们［12］根据自由基聚合机理，在WRP／HDPE（50／50）共混体系中引入适量的过氧化二异丙苯（DCP）后发现，当DCP 的添加量为0.1%时即可使拉伸强度提高20%，当添加2%时则可使断裂伸长率和冲击性能提升近1倍，其力学性能要明显优于在50kGy剂量的γ射线辐照处理后的体系；其原因归结于DCP在两相的界面处引入了大量的活性自由基团，促进了WRP 与基体之间产生交联效应的缘故。

越来越多的研究者开始尝试对共混组分的本身进行修饰或采用添加相应接枝物的方式促进WRP与PE 基体的相容性，从而达到改善共混体系性能的目的［5，8，9，13-16］。赖铭等［9］发现若能在WRP／PE（30／70）体系中引入5份的硅烷偶联剂接枝HDPE（HDPE-g-A171）则可使共混物的拉伸强度和缺口冲击韧性分别从14.4MPa和14.8kJ·m-2提高到20.7MPa和39.6kJ·m-2，达到了纯PE的82.8%和176%；若添加10 份马来酸酐接枝PE （PE-g-MAH）可使其缺口冲击强度高达60.9 kJ·m-2［13］。罗 玲 等［15］的 研 究 显 示 引 入 质 量 分 数 为17%的马来酸酐接枝WRP（WRP-g-MAH）可显著改善WRP／HPDE（50／100）共混物的力学性能，其拉伸和撕裂强度分别提高了约40%和15%。Ouyang等［8］较为系统地研究了五种界面相容剂后发现，PE-g-MAH 和马来酸酐接枝乙烯-1-辛稀共聚物（EOC-g-MAH）均能大幅提高WRP／LDPE 共混物的拉伸强度和韧性，且以添加5%质量分数的EOCg-MAH 改性体系的断裂韧度最高，达到2 032.3 MJ·m-3，较 未 改 性 试 样 提 高 了45%。Guo等［14］通过在WRP／LLDPE（70／30）共混体系中引入环氧化天然橡胶（ENR）和固相接枝LLDPE（LLDPE-g-VM）的双组分相容剂，发现随着双组分相容剂的含量增大，共混体系的拉伸强度、撕裂强度和断裂伸长率均有显著提升。虽然相容剂的引入能够明显改善WRP与HDPE 之间的界面相容性，但其加入顺序也会对WRP／HDPE 共混物的力学性能也有一定的影响，应先将相容剂与HDPE 进行熔融共混后，再加入WRP［16］。

虽然WRP的引入能改善WRP／LDPE 的断裂伸长率，但往往会使硬度、拉伸强度和冲击韧性降低，针对这一缺点国内外的研究者也尝试着在共混体系中掺入适当的橡胶或弹性体，通过制备弹性体／WRP／PE三元共混物的途径来提高共混体系的性能。虽然有研究显示，在WRP／PE体系中掺混一定量的极性聚合物，如乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA），能够有效地促进WRP 与基体之间的界面相容，提高共混物的力学性能［17］；但Li等［18］的研究表明，在WRP／HDPE共混体系中引入EOC 的效果比引入EVA 的更好。这主要是由于EOC 与WRP之间的界面能较小，EOC 在基体中部分呈微粒状随机分散，部分包裹住WRP，而EVA 与WRP呈现明显的两相分离的缘故。他们［19］还将硫化剂（DCP）引入了弹性体／WRP／HDPE三元共混体系，发现经过动态硫化后的共混物能够获得更为优异的综合性能。这主要是由于各组成相界面处发生了部分硫化交联所致，这和Radhesh［20］等的报道结果相一致。而在不使用交联剂的情况下，若将三元乙丙橡胶（EPDM）／WRP／HDPE （75／25／50）三 元 体 系 暴 露 在150kGy剂量的γ射线辐照后，同样能提高其交联度，且使拉伸强度和弹性模量达到甚至超过EPDM／HDPE（100／75）共混体系的，且热稳定性能也得到显著提高，证实了在保持制品性能不变或提高时，利用价格低廉的WRP部分替代EPDM 的可能性和可行性［21］。

近十年以来国内外对WRP／PE 共混体系进行了大量的研究，通过组分和工艺的优化制备出了综合性能优异的热塑性弹性体，尤其是共混物的强度和韧性均有显著的改善和提高，但这往往是以牺牲基体材料的刚度为代价，因此在结构制品的配方中WRP的添加量应控制在较低水平［22］。

1.2 WRP／聚丙烯（PP）共混物

作为应用最为广泛的通用树脂之一，PP具有优异的物理、化学和力学性能，其与WRP的共混也一直颇受国内外研究人员的关注。目前的研究主要是针对PP结晶度高和冲击韧性低的缺点进行增韧改性，探索WRP部分或完全替代EOC、EPDM 等PP常用增韧改性剂和降低生产成本的可行性。刘晶等［23］认为虽然在二次回收PP中添加80份的WRP才能获得与添加20份EOC 相当的缺口冲击强度，但由于WRP具有非常低廉的价格及其对共混体系的强度和热性能有更高的保持率，因此可以通过调整WRP在共混物中的比例来制备出成本低、冲击韧性好且具有相当强度和耐热性的橡塑复合材料。Lee等［24］发现在WRP／PP（65／35）共混体系中引入5～10份的马来酸酐接枝氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS-g-MAH）或用PP-g-MAH 替代PP，则能够在一定程度上改善WRP与基体间的极性差异，有助于获得更佳的力学性能；若先对WRP进行紫外光接枝丙烯胺改性，再与SEBS-g-MAH 或PPg-MAH 协同作用，则可以通过丙烯胺中的氨基（-NH2）与MAH 基团之间的化学键结合效应大幅提高WRP与PP的界面结合强度，使共混物的拉伸强度和断裂伸长率得到显著提升［25-26］，其最高增幅可分别达到14.6%和7倍［27］。鄢志兵等［28］发现在WRP／PP（30／70）中 引 入 二 乙 烯 苯（DVB）和MAH 双单体进行反应增容改性也具有相同效果，双单体在共混过程中的协同效应起到了适度交联基体、细化WRP颗粒和促进界面相容的作用，从而使其力学性能较简单共混体系有了大幅提升。与纯PP相比，增容改性后共混体的冲击韧性大幅提高了近2.5倍，而拉伸和弯曲强度仍分别保持为纯PP的88.6%和89.2%。

Zhang等［27］将WRP进行脱硫处理后用沥青进行改性，再与PP共混制备出了热塑性弹性体，并发现虽然改性WRP和不同相容剂的共同作用降低了弹性体的拉伸强度，但却大幅提高了其断裂伸长率。其中以添加SEBS-g-MAH 相容剂的综合性能最佳，其拉伸强度从9.8 MPa仅下降到8.4 MPa，而断裂伸长率却从51.6%大幅提升到305.2%，且热稳定性能也得到显著改善。Magioli［29］则直接在WRP／PP（70／30）体系中引入苯乙烯-丁二烯共聚物（SBS），发现在双马来酰亚胺（BMI）和DCP 存在的情况下，动态硫化能提高共混物的力学性能是由于BMI同时充当了固化剂和相容剂的角色。冯予星等［30］对一系列的表面修饰剂在包覆改性WRP／PP共混体系中的应用效果进行了比较和分析后发现，要制备具有优异性能的热塑性弹性体，其关键之处是获得强结合界面和合适的界面模量过渡，而这与表面修饰剂和相容剂的种类和性能及与WRP和基体之间的交互作用密切相关。

由以上分析可见，适当的界面相容剂在提高WRP／PP共混体系的性能方面具有举足轻重的作用。与WRP／PE体系相比，目前还鲜有研究者用高能射线（如γ射线或电子束辐照等）或引入化学自由基的方法来提高WRP／PP 共混物的性能。这固然是由于添加界面相容剂具有工艺简单且能显著提高两相的界面性能的缘故；同时也与PP 本身在交联的同时极易降解，从而导致基体性能大幅降低的因素密切相关。

1.3 WRP／聚氯乙烯（PVC）共混物

虽然Ghaisas等［31］利用极性相容原理直接共混制备的废丁腈橡胶（WNBR）胶粉／PVC 共混物与PVC相比，其冲击性能和断裂伸长率均有大幅提升，但WRP往往是多种废旧橡胶的混合物，与PVC之间依然存在着界面相容问题。为此，冯予星等［32］采用丁腈橡胶（NBR）和氯化PE（CPE）作为WRP／PVC（70／30）的增容剂，发现改性体系的拉伸强度比未改性体系的提高2倍多，且以添加7份NBR 的效果最佳。Tan等［33］在偶氮二异丁晴（AIBN）的引发下，用氯气对WRP进行表面氯化处理，制备了氯化WRP（Cl-WRP）／PVC 共混物，并与WRP／PVC的结构与性能进行了对比分析，结果发现氯化处理能够显著增强Cl-WRP 与基体之间的交互作用和界面结合性能，提高了Cl-WRP／PVC 体系的抗甲苯溶胀能力和热稳定性，且拉伸和撕裂强度要明显高于WRP／PVC体系。李岩等［34］利用等离子体对WRP进行表面改性，发现在氧气气氛下处理WRP能提高其亲水性，强化与PVC 基体的界面，使改性WRP／PVC复合材料的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率比未改性的分别提高了35%，8%和135%。

传统的机械剪碎和低温研磨等工艺生产的WRP粒径多在数十至数百微米之间，且WRP本身的交联结构导致其在熔融共混过程中很难被再次细化，达不到橡胶相的最佳增容粒径范围（几微米），在不借助界面相容剂的作用时，其粒径变化往往对共混物的性能提升有限［32］。而金波等［35］用溶剂溶胀加机械粉碎复合工艺制备的WRP 对PVC 进行增韧改性后发现，通过简单共混工艺即能将宏观尺寸为数百微米的WRP 在PVC 基体中进一步破碎至微米级，且原始尺寸越细，分散性越好，对PVC的增韧效果也越好；当添加质量分数为10%、粒径为120μm的WRP 后，WRP／PVC 的冲击韧性增大至69kJ·m-2，比纯PVC 提高了146.4%，而刚度仅稍下降了5.04%。

1.4 WRP／聚苯乙烯（PS）共混物

Mou等［36］用增强反应法制备了WRP 增韧PS共混体系，在WRP 粒径为150μm、添加量为40%时可使WRP／PS的冲击韧性比纯PS提高10倍，而拉伸强度能保持50%以上，且粒径分布对增韧效果影响不大，表明用增强反应法制备机械破碎的WRP／PS共混物时不必过分磨细WRP，也不必过分追求胶粉粒度均一。王浩等［37］的研究揭示了未处理WRP对PS有一定的增韧作用，但效果不佳，但通过钛酸酯偶联剂对WRP进行表面预处理或在体系中添加SBS可使复合材料的拉伸强度和韧性均有所改善。

1.5 WRP／环氧树脂（EP）共混物

目前，利用WRP对热固性树脂，如EP等，进行增韧改性的报道还较少，相关研究还未引起人们足够的关注。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）、氧等离子体＋A151、丙烯酸、丙烯酸／过氧化苯甲酰混合液等五种表面改性剂对WRP与EP的界面进行改性，可使WRP／EP（5／95）复合材料的断裂韧度比未改性的提高50%。Fan等［39］发现经过表面接枝聚酰胺-胺型树枝状高分子（PAMAM）后的WRP 既可以作为EP 的固化剂，又可以作为其潜在的增韧改性剂。游长江等［40］将经过微波辐射脱硫改性的WRP引入中空玻璃微珠／EP 复合材料，发现当微波辐射功率为650 W、辐射时间为150s时，复合材料的拉伸强度和冲击强度最大。

1.6 WRP／其它树脂共混物

除了以上提到的共混体系外，Hassan 等［41］将WRP与回收尼龙（rPA）进行熔融共混后置于不同剂量的γ射线下进行辐照改性，发现γ射线同样能促进WRP与rPA 之间的界面相容而改善了WRP／rPA 共混体系的热稳定性。李军伟［42］比较了三种不同的WRP（包括废旧NBR、EPDM 和杂胶粉）填充ABS的力学性能，发现未经处理的WRP与ABS的相容性差，且只有废旧NBR 能够提高ABS的冲击韧性，达到增韧的目的。

2 界面增容方法比较

现有的文献报道中，对WRP 与树脂增容改性的方法主要有表面处理、原位增容和添加相容剂三种方法。

表面处理包括表面包覆［30，38］、表面接枝［25-26，39］和表面 氧 化［7，34，40］等，其 主 要 是 针 对WRP 进 行 改性。通过表面处理可以在WRP表面形成羰基（C＝O）、羟基（-OH）、碳碳双键（C＝C）或特定的官能团，使WRP表面活化而能够与树脂基体在界面处形成物理缠结或化学键合，从而达到改善界面相容性的目的。原位增容改性可以通过γ射线辐照［11，21，41］、电子束辐照［17］及动态硫化处理［12，19-20］等途径来实现，主要是基于自由基聚合机理，通过高能射线引发或引入过氧化物等方法在共混体系中形成大量的自由基，使WRP与树脂基体能够在界面处形成适度的交联而显著提高两者的界面结合强度。相比较而言，添加界面相容剂在三种改性方法中最为简便且卓有成效，少量的添加即能获得较好的改性效果，若能与表面处理或原位增容等方法相结合，则效果更佳。

3 结束语

综上可见，WRP 在填充（增韧）改性树脂制备热塑性弹性体或复合材料方面具有重要经济效益和环保意义，但仍需重点解决WRP 与树脂的两相界面相容性问题，进一步提高WRP的加入量，制备性能更为优良的WRP／树脂共混物。虽然目前有关WRP对树脂增韧改性的报道还较少，但自发现WRP的粒径对WRP／树脂共混体系的力学性能有显著影响后，则有望利用WRP 制备高韧性且具有较高强度和刚度的复合材料，使其能够应用在结构材料领域。今后的研究工作可主要从以下三个方面开展：一是探索新型预处理工艺和加工方法，使WRP的粒径能够在熔融共混过程中进一步细化；二是开发能够获得具有微米，甚至纳米尺度WRP的新型制备方法和技术；三是实现WRP 的复合功能化研究，拓宽应用领域。

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