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不同增容剂对HDPE基木塑复合材料力学性能的影响

gskbs — Sat, 29 Nov 2008 21:22:20 CST

不同增容剂对HDPE基木塑复合材料力学性能的影响

摘要:研究了4种不同增容剂对HDPE基木塑复合材料力学性能的改善效果。比较并分析了不同增容剂用量对复合材料性能的影响。结果表明:不同增容剂对木塑复合材料的拉伸、弯曲等性能的改善程度存在较大差别,其中马来酸酐改性聚丙烯(MA-PP)的增容效果最佳。

关键词:HDPE;木塑复合材料;增容

木塑复合材料是指利用木质纤维填料(包括木粉、秸秆、稻壳粉等)和热塑性树脂(包括废旧回收塑料)为主要原料,外加一些加工助剂,经成型加工而制得的复合材料。木塑复合材料加工设备方法简单,可利用传统的加工塑料的成型方法,如挤出、注射和压制等,而且可以回收利用木材加工过程中剩下的边角余料,也可以大量使用热塑性回收塑料,是一种新型的绿色环保材料,有着显著的经济和社会效益,因此应用前景广阔。木塑复合材料从结构上可以看作是热塑性塑料充当连续相、不可塑的木纤维充当分散相从而形成两相结构,两相间经过化学手段(接枝、偶联等)有机地结合在一起,使得木塑复合材料集木材和塑料的优点于一身,不仅有类似木材的加工性,还可进行切割、粘接、钉、钻、刨等二次加工。

1　实验部分

1. 1　实验原料

木粉(80-100目),从木材加工厂随机收集木屑粉碎制得;高密度聚乙烯(HDPE),牌号DGDA6098,齐鲁石化;乙稀-醋酸乙烯共聚物(EVA),牌号14-2,北京石化公司;乙烯丙烯酸共聚物(EAA);北京石化公司;马来酸酐改性聚丙烯(MA-PP),牌号HD200P,南京华都科技实业有限公司;马来酸酐改性聚乙烯(MA-PE)牌号HD900E,南京华都科技实业有限公司;硬脂酸,北京化学试剂公司。

1. 2　实验设备

SHR-10A型高速混合机,北京塑料机械厂; SK-160开放式炼塑机,上海双翼橡塑机械有限公司;平板硫化机,上海双翼橡塑机械有限公司; ZHY-W型万能制样机,承德试验机有限责任公司;电子万能试验机,深圳新三思试验机有限公司。电子扫描显微镜,日本日立。

1. 3　工艺流程

木粉80℃干燥并进行表面处理,加入塑料和其他组分粗混,再经双辊塑炼机塑化均匀并成粘流态后,按模具大小拉片,取3~4片叠合后放入模具,用平板硫化机进行压制再制样,最后进行性能测试。

1. 4　性能测试

分别按GB/T 1040-1992,GB/T 9341-2000,测试复合材料的拉伸强度、弯曲强度。2　结果与讨论

2. 1　不同增容剂对力学性能的影响

木质纤维的主要成分是纤维素和木质素,因此具有强极性,而HDPE几乎没有极性。如果未经处理,亲水的木质纤维与疏水的树脂两相间界面结合性会很差[1],为使材料具有最佳的综合性能,必须引入增容剂。用增容剂对两相进行接枝处理,可显著提高复合材料的力学性能[2]。对于HDPE/木粉体系,研究了乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、乙烯丙烯酸共聚物(EAA)、马来酸酐改性聚丙烯(MA-PP)、马来酸酐改性聚乙烯(MA-PE)4种增容剂对材料力学性能的影响。体系中木粉含量为50%,增容剂含量为9%,实验

结果见表1。

从表1可以看出,MA-PE、EAA、EVA、MA-PP对复合体系的拉伸强度都起到了一定的改善,但改善程度差异较大,MA-PP对体系的增强效果最佳,EAA和MA-PE的增强效果比较接近,而与HDPE相容性较好的EVA的增强效果则明显低于其他三者,几乎对拉伸强度没有改善。弯曲强度方面,依旧是MA-PP的效果最为明显, EAA和MA-PE较为接近,而EVA对于弯曲强度的改善作用如同拉伸强度一样十分微弱。在材料的刚性(弯曲弹性模量)方面,增容剂的加入都不同程度的使材料的刚性有所下降,这是因为增容剂一方面提高了树脂基体与木粉的相容性,另一方面同时又不可避免的降低了木粉的增刚效果,而且增容剂本身的刚性一般都低于树脂基体,从而导致了复合材料刚性的下降。从表中可以看出EVA的加入,使得材料的弯曲模量降低了50%以上,也就是说EVA的加入对材料起到了较为显著的增韧作用。以上各种性能的变化的原因,可能是酸酐和羧基与木纤维中的羟基发生了反应,产生了一定的化学键合,从而改善了复合材料的界面层,有利于应力在材料中各组分间的传递。

2. 2　增容剂用量对复合材料力学性能的影响

增容剂的用量对材料力学性能影响很大,用量太少,则木纤维包覆的不完全,难以形成良好的增容及分子层,起不到有效的改善界面相容性的效果,而且对木粉表面易反应的枪击集团消耗不够,材料易吸湿变形;增容剂用量过多,则纤维表面会覆盖过多的增容剂,形成多分子层,易造成木粉与树脂之间界面结构的不均匀性,而且一般增容剂的力学性能都弱于树脂基体,过多反而会造成材料力学性能的下降[5];另外,增容剂中含有极性的可以与木粉表面羟基反应的官能团,过多的剩余在复合材料中也不利于材料的使用寿命。从图1可以看出,当MA-PP的用量为8%时,复合材料的拉伸强度最大,比加入EVA时提高了约8MPa,而随着用量的增加,材料的拉伸强度还略有下降[3]。图2所示,增容剂用量的增加对体系的弯曲强度影响不大,不过在MA-PP的含量达到8%时,材料弯曲强度最大;同时还可以看出EVA在4种增容剂中增加弯曲强度的效果最差。在木塑材料的性能研究中,一般情况下增容剂的加入都会增加界面结合力,提高材料的抗弯曲性能。

加入EVA后,树脂和木粉的结合情况仍然较差,两相界面清晰,在木粉周围有明显的缝隙存在,木纤维与树脂结合力弱,容易从树脂中被拉出,因此加入EVA对界面没有明显的改善作用,这和前面讨论的EVA对拉伸强度的影响相一致。EAA和MA-PE对复合材料的界面有较好的改善作用,而MA-PP对复合材料界面的改善作用最好,从图3c中可以看出,木粉和树脂的结合面变得模糊,很难分辨出树脂和木粉,这意味着木粉将被树脂包裹起来,在受到外力是缺陷就有可能在基体中产生,而不是两相结合处,从而能够有效的传递和承受载荷,使复合材料的强度得到显著提高。3　结　语

(1)除了EVA外,所加入的其他3种增容剂均显著的提高了复合材料的力学性能。

(2)对于HDPE/木粉复合体系, EAA和MA-PE的对体系的改善效果相近,而MA-PP是最有效的增容剂,当MA-PP用量为8%时,材料的各项力学性能达到最大值。

(3)通过电镜照片可以很清楚看到增容剂对复合材料结构的影响,有效的增容剂可使木粉与树脂结合紧密,两相界面得到明显的改善,从而能够有效的传递和承受载荷,使复合材料的强度得到显著提高。

吴远楠,武军 (北京印刷学院,北京102600)

几种木质纤维在PE基木塑复合材料中的对比研究

gskbs — Mon, 24 Nov 2008 21:28:39 CST

几种木质纤维在PE基木塑复合材料中的对比研究

摘要:PE基木塑复合材料是目前国内生产的木塑复合材料的主要品种之一,该类材料目前所采用的主要木质纤维是稻糠和木粉。文章对比了稻糠、松木粉、竹粉、麦秸纤维、稻草纤维等几种木质纤维的干燥特性及其在PE基木塑复合材料中的应用效果。研究表明,由5种不同的木质纤维制备的PE基木塑复合材料的物理机械性能十分接近,这为进一步提高我国废弃植物纤维的综合利用水平、丰富PE基木塑复合材料的品种提供了参考依据。

关键词:木塑复合材料;高密度聚乙烯;木质纤维品种;干燥特性;物理性能

1　前言

PE基木塑复合材料广泛用于制造各种木塑复合托盘、军用枕木、庭院护栏、室外地板等制品,是目前国内生产的木塑复合制品的主要品种之一,该类材料目前所采用的木质纤维主要限于稻糠和木粉[1~7]。木塑复合材料实际上泛指各种木质纤维(包括各种木粉、稻糠、竹粉、秸秆纤维、果壳纤维等)填充的热塑性塑料复合材料。为提高我国储量丰富的各种可再生木质纤维的综合利用水平,同时也为了丰富我国已有PE基木塑复合制品的品种规格,使深入研究各种木质纤维在木塑复合材料中的应用特性和应用效果显得十分必要。文章对比了稻糠、松木粉、竹粉、麦秸纤维、稻草纤维5种木质纤维的干燥特性及其在PE基木塑复合材料中的应用效果。研究表明,由5种不同的木质纤维制备的PE基木塑复合材料的物理机械性能十分接近,这为进一步提高我国废弃植物纤维的综合利用水平、丰富我国木塑复合材料的品种提供了参考依据。

2　实验

2. 1　主要原材料

高密度聚乙烯: 6100M,MI=0·13g/10min,北京燕化公司;

稻糠粉: 80~120目,严格筛分,江苏无锡;

松木粉: 80~120目,严格筛分,北京;

竹粉: 80~120目,严格筛分,安徽广德;

稻草纤维:纤维状,经表面处理,安徽合肥;

麦秸纤维:纤维状,经表面处理,安徽合肥。

2. 2　主要仪器设备

实验用高速混合机: SHL-10型,江苏省张家港市轻工机械厂;

电加热双辊炼塑机:SK160-B型,上海第一橡胶机械厂;

平板硫化机:QLB-D 0·25MN型,上海第一橡胶机械厂;

微机控制万能材料试验机:RG2000-100型,深圳市瑞格尔仪器(制造)有限公司;

简支梁冲击试验机:XJJ-5型,承德金建检测仪器有限公司。

2. 3　试样制备工艺

2. 3. 1　制样工艺流程

原料预处理→按配方称量→高搅混料→热双辊塑炼→→压片制样→性能测试

2. 3. 2　物料混合工艺

将PE树脂和各种助剂按配方比例一次加入到高速混合机中,高速混合8min,出料待用。

2. 3. 3　塑化混合工艺

先将双辊炼塑机辊筒温度预热至(185±5)℃,调好辊距,将混合好的物料通过热双辊的加热和剪切作用使物料塑化、混合,混炼总时间控制在8~10min。

2. 3. 4　压片制样

在平板硫化机上将压片模具预热至180℃,将炼塑好的物料趁热放入模具,在10MPa压力下热压5min,再冷却定型20min,制成4mm厚的板材,再用制样机按标准制备各种性能测试样条。

2. 4　性能测试

2. 4. 1　干燥特性曲线

试验温度: 180℃、200℃;

试验方法:取6个干燥洁净的烧杯,各加入10g左右的木粉、竹粉或稻糠粉,在设定温度的烘箱中干燥1h后取出,冷却后称重。计算方法:X =W1-W2W1-W0×100%式中:W0—空烧杯的质量, g;W1—干燥前烧杯+木粉的质量, g;W2—干燥后烧杯+木粉的质量, g。

2. 4. 2　拉伸性能

参照标准:GB/T 1040-1992。量程: 0~5000N,标距: 50mm,大变形传感器,试验速度: 20mm/min。

2. 4. 3　弯曲性能

参照标准:GB/T 9341-2000。量程: 0~5000N,跨度: 64mm,绝对位移传感器,试验速度: 2mm/min,规定挠度: 1·5d。

2. 4. 4　冲击性能

参照标准:GB/T 1043-1993。测试量程: 0~0·5J。

2. 4. 5　热变形温度

参照标准: GB/T 1634-1979。最大弯曲正应力:4·6kg/cm2,升温速度: 12℃/6min。

3　结果与讨论

3. 1　木质纤维的干燥特性

由图1曲线可得出各种木质纤维干燥特性曲线的回归方程如下:

1)稻糠:y= 0.0046x+ 2.1667

2)松木:y= 0.0046x+ 6.5205

3)竹粉:y= 0.0022x+ 7.8017

4)麦秸纤维:y= 0.0063x+ 4.713

5)稻草纤维:y= 0.0060x+ 2.5901

根据以往经验,一般在180℃空气烘箱中干燥时，失重较多、较快的(即失重曲线斜率较大的)木质纤维往往在成型加工时的热稳定性能较差,即在试验的5种木质纤维中按热稳定性能由好变差的次序可排列为:竹粉>稻糠、松木>稻草纤维、麦秸纤维。上述判断与木质纤维经180℃干燥后试样颜色变化(干燥时间越长,试样颜色越深)的情况是基本一致的。但是,由试验结果看,这几种木质纤维在180℃干燥1~2h时,均未出现明显的颜色变化,均可满足PE基木塑复合材料成型加工过程对木质纤维热稳定性能的基本要求。

3. 2　PE基复合材料的性能对比

由表3数据可见,由5种不同的木质纤维制备的HDPE基木塑复合材料的物理机械性能十分接近。其中采用稻草纤维和麦秸纤维制备的复合材料的弯曲模量较低,这可能与两种纤维本身的刚性较低有关;采用这两种纤维所得的复合材料的冲击韧性在其他条件相同时也未见明显提高;但其复合材料的热变形温度稍高。

4　结论

1)5种木质纤维中按热稳定性能由好变差的次序可排列为:竹粉>稻糠、松木>稻草纤维、麦秸纤维,但均可满足PE基木塑复合材料成型加工过程对木质纤维热稳定性能的基本要求。

2)由5种不同的木质纤维制备的HDPE基木塑复合材料的物理机械性能十分接近,可用于制造具有不同外观等特性的PE基木塑复合制品。

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张建东1,刘英俊2,刘伯元2,孙晓民3,陆晓中3(1.北京化工大学材料科学与工程学院,北京　100029;2.中国塑协改性塑料专委会,北京　100037; 3.北京石油化工学院材料科学与工程系,北京　102617)