前言
由于與玻璃纖維相關的風險和特性，其對環境的危害已經成為一個嚴重的問題。玻璃纖維在垃圾填埋場中可以保持完好數年，對社群和勞工造成傷害。如果沒有有效的回收實踐，連續生産玻璃纖維增強聚丙烯可能會釋放揮發性有機化合物到環境中。
為了應對這一環境挑戰，人們開發了各種再處理技術來回收廢舊塑膠。機械回收在環境和經濟方面更受青睐，因為它涉及對廢舊塑膠進行機械碎裂和再加工，以獲得新的塑膠。
回收可以減少環境污染，并減少對新聚丙烯産品的過度依賴。機械回收方法具有可行性和經濟性，相較于原始方法，可以節省市場成本的20-50%。
目前對複合材料性能的後處理研究結果多種多樣，但大多數研究都針對生物纖維、來自開放廢物流的塑膠或原生聚丙烯。關于以恒定優化平均長度的E玻璃纖維增強并進行熱機械處理的内部PP廢物（工業廢料）的研究還相當有限，或者尚未得到充分探索，這也是本研究的主要目的之一。
在本研究中，我們收集了回收的聚丙烯（内部PP廢物）作為基質，使用10 wt%平均長度為10毫米的E玻璃纖維作為增強材料，制備了複合材料。然後，将複合材料粉碎成顆粒，在每個再加工周期後通過擠出和壓縮成型進行五次再加工，并研究其性能。
我們監測了機械性能、流變性能、結構特征、形态特征和熱行為的變化，以評估不同擠出和壓縮過程對材料性能的影響。
通過這樣的研究，塑膠制造商可以節省成本，減少内部廢物産生，并通過在新産品中增加再加工材料的使用來大大減少對新材料的依賴。
一、拉伸性能
結果表明，經過多次再加工的玻璃纖維增強聚丙烯複合材料的拉伸強度逐漸降低。從第一次再加工複合材料（GFRPP1）的35 MPa下降到五次再加工複合材料（GFRPP5）的14.95 MPa，降低了57.29%。
這種降低可能是由于複合材料在粉碎過程中發生的纖維斷裂導緻纖維長度與直徑比例的降低，進而減弱了再加工複合材料的強度。
與此相關的研究結果也被Dickson等人所觀察到。然而這種降低也可能是由于高加工溫度和劇烈的高剪切力作用下基質的熱機械降解所緻。這可能導緻聚丙烯鍊的斷裂，進而導緻複合材料的拉伸強度下降。
再加工的玻璃纖維增強聚丙烯複合材料的相對剛度或抗彈性變形能力也顯示在圖中。觀察結果表明，拉伸模量從GFRPP1的602.34 MPa顯著降低至GFRPP5的470.7 MPa，降低了21.85%。與Beg和Pickering的報道一緻，拉伸模量的降低可能是由于再加工過程中纖維斷裂所導緻的。
二、彎曲強度和模量
玻璃纖維增強聚丙烯複合材料在彎曲性能方面的結果如圖所示。經過多次再加工後，彎曲強度和模量從第一次再加工周期的54 MPa和1482 MPa降低到第五次再加工周期的26.44 MPa和1424 MPa。在第二次再加工周期後，塑膠複合材料表現出了相對較好的彎曲強度，為48.19 MPa。
進一步的再加工導緻彎曲強度和模量非常低，這對于高品質的産品來說仍然是不可接受的，除非将回收聚丙烯與原始聚丙烯相混合，或者添加其他可能改善彎曲性能的材料。
由于再加工過程中彎曲剛度和強度的降低，是以第一次和第二次再加工樣品展示出比所有其他額外再加工複合材料更好、更強的複合材料。
三、化學和結構測試結果
圖中顯示了經過多次擠出運作的玻璃纖維增強内部PP廢料的X射線衍射結果。峰強度反映了晶格結構中原子的位置和排列方式，是以連續的再加工會導緻增強複合材料的峰強度降低。第一次擠出運作（GFRPP1）的峰強度為728個計數，而第五次運作（GFRPP5）後降至351個計數。
第一次再加工複合材料的結晶度為50.88%，随後逐漸降低至46.27%。多次擠出運作使得聚丙烯的晶體結構變得更小、數量更少，使得它們在每次連續的擠出運作中變得更加無定形。這意味着有序度進一步降低，導緻峰強度和結晶度的降低。
使用Scherrer方程可以獲得平均微晶尺寸，這個尺寸也随着後處理周期的增加而減小，同時峰位置略有上移，晶體的數量和尺寸的減少也說明了機械性能的下降，如圖所示。
莫佛肯等人的研究關于PP/LDPE的共混物發現，擠出過程會導緻結晶度指數降低和熔點變寬，進而導緻聚丙烯的峰強度降低。在這項工作中，較低的結晶度意味着較短的鍊長度，這使得鍊的流動性變得非常容易，是以在開始斷裂之前施加的熱能較少。
從光譜中可以看出，峰的損失或增加并不明顯，這意味着降解的性質不是氧化性的，而可能是熱機械性質導緻的。
由于機械性能的下降和熔體流動指數的增加可能是由于鍊的斷裂引起的，是以預計端基的封閉會導緻FTIR譜峰的變化，這也是本研究的創新之處。
此外，可用官能團基本上沒有受到影響，這與預期在擠出過程中吸引環境氧氣導緻氧化降解的情況相反。據懷疑，較短的擠出時間可能是導緻未生成較小的降解副産物（例如過氧自由基）的原因，或者加工溫度未達到降解溫度以觀察基本鍵的破壞。
四、熱重分析 (TGA)
熱重分析是通過評估樣品在不同溫度和時間下的品質/重量變化來研究材料的熱穩定性和降解行為的一種常用方法。
熱重分析可以在受控氣氛中進行，通過引入熱量進樣品來引發化學和實體變化，有助于對樣品進行表征和識别。
由于增強塑膠的疏水性，環境中的水分不會導緻明顯的初始品質損失，主要是由于幹燥（解吸）過程，在熱分析圖中可以觀察到這一點。
一次性再加工的聚丙烯的起始降解溫度（T Onset）記錄為338.07°C，最大品質損失率（T max）發生在426.02°C，品質損失為99.2%，顯示了所有熱分析圖中的單步分解模式。降解的起始溫度可以很好地了解再加工塑膠複合材料的熱穩定性。
第五次再加工的增強聚丙烯開始降解的溫度為245.15°C。随着加工周期的增加，塑膠複合材料的熱穩定性會降低，這可能是由于斷鍊機制引起的，這意味着産品性能下降。這是可能的，因為已知含有叔碳的聚丙烯主鍊容易受到攻擊，導緻容易斷裂。
圖中顯示了再加工玻璃纖維增強内部廢棄聚丙烯複合材料的組合微分熱重分析（DTG）熱分析圖。DTG用于确定失重率最大的溫度。從曲線可以看出，每次再加工循環後，TGA和DTG的溫度都向較低溫度轉變。
文獻中關于聚丙烯生物複合材料的研究也報道了類似的一步分解模式和熱性能向TGA曲線較低區域的轉移。類似地，聚丙烯-蒙脫土納米複合材料的研究表明，在斷鍊過程中自由基的發展促使加速降解的發生。圖中還顯示了玻璃纖維增強聚丙烯的品質導數曲線。
在第五次再加工循環中，品質損失的最大速率發生在354.1°C，這表明重要成分開始迅速降解和損失，最終導緻基本性能下降。此外，報道指出聚合物材料在目标應用中的性能關鍵取決于熱穩定性和降解性。
五、熔體流動指數（MFI）
流變學研究可以提供關于擠出過程中熔融加工行為的重要資訊。它可以測定聚合物的熔體粘度、分子量變化和流動特性。在目前的研究中，它被用于研究多次擠出對複合材料的影響，這在先前的研究中已被成功用于估計聚合物材料的熱降解和剪切降解，因為粘度和分子量與降解相關。
熔融指數（MFI）随着每個再加工周期的增加而逐漸增加。第一、第二、第三、第四和第五次再加工的PP複合材料的MFI值分别為6 g/10 min、7.45 g/10 min、10.8 g/10 min、12.82 g/10 min和17.88 g/10 min，這是由于在整個回收過程中聚丙烯的分子量可能逐漸降低。
通過觀察GFRPP1和GFRPP5的拉伸斷口，評估試驗後的斷裂行為。觀察到無堿玻璃纖維被聚丙烯基體充分浸泡和覆寫（顯示良好的潤濕性），導緻纖維/基體界面的粘附力增強。
在嚴格的熱處理之前，PP基體的結構完整性未受到影響，這也有助于充分保護無堿玻璃纖維。這也是導緻更好機械性能的可能原因，正如拉伸強度結果所證明的。
圖中顯示了GFRPP5在750倍和1000倍放大倍數下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，顯示了塑性變形的迹象。從基體中拉出的空隙暗示着界面粘附力較差。這被認為是導緻機械性能下降的原因，拉伸強度（14.9 MPa）證明了這一點。
通常，再加工或回收的纖維增強塑膠會導緻纖維長度明顯減小（纖維磨損），并且随着纖維長度減小，纖維從基體中被拉出的趨勢更為明顯。
由于玻璃纖維增強PP的多次擠出使得增強玻璃纖維進一步暴露，使得基質覆寫性能變差，是以其潤濕性變差。據了解，纖維的磨損也更加顯著，導緻塑膠性能的降低，正如之前的部分所強調的。這是因為增強纖維在失去其良好長度後現在可能充當填料而不是增強材料。
六、結語
在這項研究中，使用平均長度為10毫米的10wt%玻璃纖維（GF）和90wt%聚丙烯，通過熔融混合和壓縮成型制備了玻璃纖維增強的自制聚丙烯廢料複合材料（GFRPP）。然後對該複合材料進行了多次再加工處理，以評估再加工對複合材料使用壽命性能的影響。
可以得出，經過多次再加工處理的内部廢棄PP複合材料在實體、機械、結構、流變和熱性能方面會逐漸喪失。這種性能降低可能是由于多次再處理過程中纖維斷裂和基質的熱機械降解所導緻的，但複合材料的組成官能團主要不受影響。
在工業領域中，如果要将增強的自制聚丙烯塑膠再次用于制造相同的産品，并保持相同的性能，通常隻需要進行兩次再加工處理即可。
通過增加再加工次數，可以添加原始聚丙烯或其他材料以補償性能損失。是以，這有助于制造商節省成本并保持增強塑膠的結構完整性。
參考文獻
1.埃切弗裡，巴博薩，玻璃纖維增強聚丙烯的機械性能通過粘合力的提高而增強。材料（巴塞爾）。2012；5(6)：1084 – 1113。
2.辛格、貝迪、凱斯，基于回收聚對苯二甲酸乙二醇酯的複合材料及其性能——全面綜述。組合。2021；219：108928。
3.馬丁阿方索，瓦倫西亞、桑切斯等。使用來自不同塑膠廢物的回收聚合物對潤滑脂進行流變改性。工業工程化學資源。2009；48(8)：4136 – 4144。
4.阿迪戈、巴盧利等人。再生聚丙烯基複合材料在寬溫度範圍内的沖擊響應：填料含量和回收的影響。組合科學技術。2014 年；95：89 – 99。
5.費爾南德斯、拉莫斯等人。亞麻短纖維束/聚丙烯複合材料的機械性能：基體/纖維改性、纖維含量、吸水性和回收利用的影響。2005；65(10)：1582 – 1592。