植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究(精)

1、包裝學報 Packaging Journal Vol.3 No.1Jan. 2011第 3卷 第 1期2011年 1月植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究曾廣勝 ,徐成,林瑞珍,許超,江太君,劉躍軍(湖南工業(yè)大學包裝新材料與技術重點實驗室 ,先進包裝材料與技術湖南省普通 高校重點實驗室 ,湖南株洲 412007摘要:以聚丙烯 (PP、廢瓦楞紙板制取的植物纖維為原料 ,采用馬來酸酐接枝聚丙 烯 (MAH-g-PP 、鋁酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯劑為界面相容劑 ,研究了植物纖維增強 PP 復合材料的力學性能。結果表明 :未添加界面相容劑時 ,隨著植物纖維用量的增加 ,復 合材料沖擊強度急劇下降 ,彎

2、曲強度和拉伸強度上升 ;添加界面相容劑 MAH-g-PP 后, 當植物纖維的質量分數為 30%時 ,復合材料的彎曲強度和拉伸強度均達到最大值 ;在 MAH-g-PP 、鋁酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯劑三者中 ,MAH-g-PP 改善植物纖維與 PP 之 間的界面相容性效果最佳 ;當 MAH-g-PP 添加質量為植物纖維添加質量的 10%時,復 合材料的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度及綜合性能最佳。文章編關鍵詞:木塑復合材料 ;PP;植物纖維 ;力學性能;相容劑中圖分類號 :TB332文獻標志碼 :A號:1674-7100(201101-0044-04Exploration of Mechanical P

3、erformances of Fiber Reinforced PP CompositesZeng Guangsheng,Xu Cheng,Lin Ruizhen,Xu Chao,Jiang Taijun, LiuYuejun(Key Laboratory of New Materials and Technology for Packaging, Key Laboratory of Advanced Materials and Technology forPackaging of Hunan Colleges and Universities, Hunan University of Tec

4、hnology, Zhuzhou Hunan 412007, ChinaAbstract :PP and recycled corrugated paper board as the raw material and MAH-g-PP, aluminum ester and aluminum-titanium compound coupling agent were used to investigate the mechanical performance of fiber reinforced PP composites. The results show that: the tensil

5、e strength increases while the impact strength decreases with the loading of fiber without solubilizer;both the bending and tensile strength reaches the highest point when the MAH-g-PP loading stays at 30wt%; among the three mentioned coupling agents, MAH-g-PP is superior to modify the interface; th

6、e impact strength, tensile strength and bending strength obtain an optimized value when the MAH-g-PP content is 10% to fiber filled.Key words :wood-plastic composite; polypropylene; fiber; mechanical properties; compatibility收稿日期 :2010-08-31基金項目 :國家自然科學基金資助項目 (10972076,10672197湖, 南省杰出青年基 金資助項目 (07JJ

7、1001,湖南省自然科學基金資助項目 (09JJ6083湖, 南省教育廳基金資助項目 (09C317,09C318,湖南省高校 科技成果產業(yè)化培育基金資助項目 (09CY016作者簡介:曾廣勝(1975-,男,湖南洞口人 ,湖南工業(yè)大學副教授 ,博士,主要從事包裝工程及高聚物加工工程方面的研究E-mail:Guangsheng_zeng0 前言木塑復合材料價格低廉 ,性能優(yōu)良 ,使用方便 ,可鋸、刨、釘 ,既保留了木材在加工性能方面的優(yōu)勢 ,又克服了木材不耐用怕蟲蛀 的缺點。因此 ,木塑復合材料可以替代外運貨物時常用的木制包裝材料和鋪墊材料 ,也可用于化工行業(yè)的 耐腐工棚、裝飾板、地板、通道、

8、臺架 ,及鑄造模型、機器罩、水泵殼、電器用材 等 1 。然而植物纖維性能與樹脂基體表面性能不同 ,因此兩者復合時界面黏接的效 果較差 ,從而導致復合材第 1 期 45料的力學性能降低。為解決這一問題 ,前人做了較多研究 2-6,如 Nenkova等人 在含 10%體積分數的馬來酸酐的丙酮溶液中 ,采用過氧化二苯甲酰 (b e n z o y l peroxide,BPO和過氧化二異丙苯 (dicumyl peroxide, DCP 引發(fā)馬來酸酐對植物纖維 進行表面改性 ,增加了界面的黏合力 ,所制得的聚乙烯 (polypropylene, PP 基木塑復 合材料的力學性能有了較大的提高 2;D

9、emir 等人分別采用 3-氨基丙基三乙氧基硅 烷(3-aminopropyl triethoxy silane,AS、 3-(三甲氧基甲硅烷基 -1-丙硫醇 (3- mercaptopropyl trimethoxy silane,MS 和馬來酸酐接枝聚丙烯 (maleic anhydride grafted polypropylene, PP-g-MAH 作為 PP/絲瓜纖維復合材料的界面改性劑 ,改善了 聚合物與絲瓜纖維復合材料的相容性 ,提高了其力學性能和抗吸濕性能 3 。木塑復合材料的應用越來越廣泛 ,在確保材料優(yōu)良性能的同時降低材料的成本 是這方面的研究熱點。植物纖維含量越高 ,成

10、本越低 ,但纖維與基體樹脂界面間的弱 結合力使得復合材料的力學性能下降 ,相容劑可有效改善兩者間的界面結合力 ,提高 材料的性能。本文以 PP、廢瓦楞紙板制取的植物纖維為原料 ,采用 MAH-g-PP 、鋁 酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯劑為界面相容劑 ,研究了植物纖維填充量、相容劑種類及用 量對植物纖維增強 PP 復合材料的力學性能影響。1實驗部分1.1實驗原材料PP:T30S,中國石化 ;MAH-g-PP:南京德巴化工有限公司 ;鋁酸酯偶聯劑 :遼化集團 ; 鋁鈦偶聯劑 :佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司 ;抗氧劑 1010:深圳市龍崗區(qū)平 湖多彩化工 ;潤滑劑、硬脂酸 （工業(yè)級 :寧波萬盟新材料

11、科技有限公司。1.2儀器及設備雙螺桿擠出機 :CTE-35科倍隆科亞 （南京機械有限公司 ;注射成型機 :HTF90W1, 寧波海天股份有限公司 ;電子萬能拉力機 :CMT-6000 型,深圳三思計量有限公司 ;沖擊 試驗機 :XJJ-50J,承德大華試樣機有限公司。1.3復合材料的制備1 將從廢品回收站購買的廢瓦楞紙板于水中浸泡 30h 后在粉碎機中粉碎 , 再于 110 電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥 48h,冷卻后即得所需植物纖維。2 將冷卻后的植物纖維、 PP樹脂、相容劑及各種助劑在高速混合機中共混 15min,然后在雙螺桿擠出機上于 170195 條件下擠出造粒。3 將粒料干燥 24h后注

12、塑成型制得試驗用樣條。 1.4 性能測試按國家標準測試所得樣條的力學性能 :拉伸強度按 GB/T10401992 進行;懸臂 梁缺口沖擊強度按 GB/ T18431996進行 ;彎曲強度按 GB/T93412000進行。2結果與討論實驗中固定抗氧劑 1010 的添加質量為 PP添加質量的 0.5%,潤滑劑的添加質量 為 PP添加質量的 2%。2.1植物纖維添加質量分數對 P P木塑復合材料力學性能的 影響植物纖維添加質量分數對 P P木塑復合材料的拉伸強度、抗彎彈性模量、彎曲強度、沖擊強度等力學性能的影響見圖 1a拉伸強度b抗彎彈性模量c彎曲強度曾廣勝,等植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研

13、究 包裝學 報462011年由圖 1中 ac圖可知,隨著植物纖維添加質量分數的增加 ,復合材料的拉伸強度、抗彎彈性模量、彎 曲強度均呈先上升后下降的趨勢。當植物纖維添加質 量分數約為 30%時 ,復合材料的各性能強度均達最大 值,相對于純 PP,其拉伸強度提高了 33.8%,抗彎彈 性模量提高了 168.6%,彎曲強度提高了 29.5%。當植物纖維添加質量分數超過 30%后,復合材料的各性能強度逐漸降低。這是因為 :植物纖維作為增強填料 ,有 一定的長徑比和較高的比強度 ,當其含量在一定的范 圍內時,填料能對復合材料的性能起增強作用。當纖維含量達到一定程度 （添加質量分數為 30%時,植物纖維

14、在 PP 基體中能形成連續(xù)相 ,聚丙烯分布于植物纖維的微纖維表面空隙中 成為植物纖維間的黏合劑。此時 ,基體中的植物纖維含量較多 ,會使得植物纖維間出 現相互接觸、交叉、甚至纏繞的情形 ,從而使得其力學性能提高。但由于植物纖維 與樹脂間界面結合較差 ,同時隨著植物纖維含量的進一步增大 ,植物纖維的分散性變 差 ,凝聚現象加劇 ,易產生應力缺陷 ,從而使得復合材料的力學性能下降。由圖 1中 d圖可知,植物纖維的加入使得木塑復合材料的沖擊強度降低 ,相對于 純 PP,其沖擊強度下降了 18.9kJ/m2。這是因為植物纖維的韌性較差 , 加入植物纖維 后使得復合材料的沖擊強度降低。同時纖維含量的增加

15、使植物纖維的凝聚現象加劇 植物纖維顆粒的應力集中及產生缺陷幾率增大 ,從而使得體系的沖擊強度降低。2.2 相容劑種類對 PP木塑復合材料力學性能的影響本實驗主要考慮 MAH-g-PP 、鋁酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯劑 3 種相容劑對植物纖 維增強 PP復合材料力學性能的影響 ,且實驗中固定 3 種相容劑的添加質量均為植物 纖維添加質量的 5%,所得結果見圖 24。從圖 2和 3可看出,添加等質量的 MAH-g-PP 、鋁酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯劑 3種 相容劑 ,均使得復合材料的拉伸強度、彎曲強度在植物纖維添加質量分數為30%左右時達最高值 ,其中 MAH-g-PP 處理的效果最好 ,鋁鈦偶聯劑次之。由

16、圖 4 可看出 ,經相容劑處理后的復合材料的沖d沖擊強度圖 1 植物纖維添加質量分數對復合材料力學性能的影響Fig. 1Effect of fiber contents on mechanical propertics of composites 圖 2 不同相容劑對復合材料拉伸強度的影響 Fig. 2Effect of compatibilities on compositestensile strength圖 3 不同相容劑對復合材料彎曲強度的影響 Fig. 3Effect of compatibilitieson compositesbulking strength圖 4 不同相容劑對沖

17、擊強度的影響 Fig. 4Effect of compatibilities oncompositesimpact strength第 1 期 47擊強度均隨植物纖維添加質量分數的增大而降低 ,其中經鋁鈦偶聯劑處理后的 復合材料的沖擊強度最佳 ,經 MAH-g-PP 處理后的復合材料的沖擊強度較差。這是 因為與鋁酸酯和鋁鈦偶聯劑相比 ,MAH-g-PP 分子鏈上接枝的酸酐基團與植物纖維 表面層纖維素上的羥基在受熱時更易生成酯鍵 ,從而使兩者通過化學鍵結合 ,加之 MAH-g-PP 與 PP 基體有良好的相容性 ,通過其與 PP 分子的纏結作用使植物纖維與 基體 PP 有著很強的結合力 ,從而使

18、經 MAH-g-PP 處理的植物纖維填充 PP 有更 好的拉伸強度和彎曲強度。但因 MAH-g-PP 本身質脆 ,且與鋁酸酯、鋁鈦偶聯劑相 比其分子鏈變形能力差 ,受沖擊時吸收的沖擊功小 ,所以其沖擊性能較差。2.3相容劑添加質量分數對 P P 木塑復合材料力學性能的影響本實驗中固定植物纖維的添加質量分數為 30%,改變纖維中 MAH-g-PP 的添加 質量分數 ,考查其對復合材料力學性能方面的影響 ,結果如圖 5 所示。由圖 5 可知,在一定用量范圍內 ,MAH-g-PP 對植物纖維填充 PP 有明顯的增容作 用。在纖維中 MAH-g-PP 的添加質量分數達 10%之前 ,復合材料的拉伸強度

19、、沖擊 強度和彎曲強度均隨 MAH-g-PP 添加質量分數的增加而增大 ,之后復合材料的各性 能強度均有所降低 ,在 MAH-g-PP 添加質量分數為植物纖維的 10%時,復合材料的各 項性能強度最高。這是因為相容劑用量的增加 ,在植物纖維與 PP 間起增容作用的接 枝物也相應增加 ,因而當植物纖維填充量相同時提高了植物纖維與 PP 的相容性 ;但 用量超過一定范圍后 ,復合材料中未起增容作用的接枝物逐漸增多 ,在塑料基體和植物纖維間形成多分子層 ,造成纖維和樹脂界面結構不均勻 ,反而消弱了兩者的相容性 從而使得復合材料的力學性能降低。3結論1 未添加相容劑時 ,植物纖維添加量對木塑復合材料的

20、力學性能影響很大 ,當其添加質量分數為 30%時 ,木塑復合材料的抗拉強 度和抗彎強度均達到最大值 ,而沖擊強度隨著植物纖維的加入明顯下降。2MAH-g-PP 對植物纖維增強 PP 復合材料增容作用較鋁酸酯偶聯劑、鋁鈦偶聯 劑好。3MAH-g-PP 用量對復合材料力學性能有較大影響 ,當其添加質量分數為植物纖 維的 10%時,復合材料的拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度均達最大值。參考文獻 :1Status and Development Trend ofWood Processing魯禮娟 . 我國木塑復合材料的生產現狀及發(fā)展趨勢 J. 木材加工機 械,2008,40(6:40-41.Lu Lij

21、uan. The Current Production Wood Polymer Composites in ChinaJ. Machinery,2008,40(6:40-41.2Nenkova S,Dobrilova C,Natov M,et al. Modification of Wood Flour with Maleic Anhydride for Manufacture of Wood-Polymer CompositesJ. Polymer and Polymer Composites,2006,14(2:185-194.3Demir H,Atikler U,Balkose D,e

22、t al. The Effect of Fiber Surface Treatments on the Tensile and Water Sorption Properties of Polypropylene-Fluff Fiber CompositesJ.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2006,37(3:447-456.4莊乃銀,丁建生 . 提高聚丙烯基木塑復合材料性能的研究 J. 現代塑料加工應 用,2004,16(2:13-14.Zhuang Naiyin,Ding Jiansheng. Study on Improvement of Performance of WPC Based on PPJ. Moder