木粉增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料的制備及其性能研究

1、第34卷第6期遼寧化工V ol.34,N o.6 2005年6月Liaoning Chemical Industry June,2005木粉增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料的制備及其性能研究欒曉春(沈陽沃而得復(fù)合材料有限公司,遼寧沈陽110027摘要:以廢棄木粉為增強(qiáng)材料,采用雙螺桿擠出機(jī),制備木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料,研究改善木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的途徑。結(jié)果表明,隨著木粉加入量的增加復(fù)合體系的力學(xué)性能得到明顯改善;通過適當(dāng)?shù)姆椒▽δ痉圻M(jìn)行表面處理、對基體樹脂進(jìn)行改性,可以有效地提高復(fù)合體系的界面粘接強(qiáng)度,大幅度改善復(fù)合體系的力學(xué)性能;采用短切玻璃纖維與木粉組合,可以獲得力學(xué)性能很高,

2、能作為結(jié)構(gòu)材料使用的復(fù)合材料。關(guān)鍵詞:木粉;高密度聚乙烯;玻璃纖維;復(fù)合材料中圖分類號:T Q314文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號:10040935(200506024103木粉價(jià)廉易得且具有一定的強(qiáng)度,可以作為增強(qiáng)劑來改進(jìn)高密度聚乙烯的力學(xué)性能,并降低生產(chǎn)成本。另外,木纖維作為天然可再生材料,具有生物降解性,因此,高填充木粉的高密度聚乙烯復(fù)合材料也具備一定的環(huán)境相容性,是一種可減輕目前“白色污染”的環(huán)保型材料。研究表明,木粉填料的加入,使得樹脂的力學(xué)性能(包括拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等提高。但木粉易吸濕,與熱塑性塑料粘合性差,難以獲得力學(xué)性能優(yōu)良的木粉增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。為了改善它們之間的界面粘

3、結(jié),許多學(xué)者進(jìn)行了多方面有益的嘗試。如何對木粉增強(qiáng)熱塑性塑料進(jìn)行改性,是得到高性能植物纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的關(guān)鍵。1實(shí)驗(yàn)部分1.1原材料高密度聚乙烯(H DPE,牌號1158,齊魯石油化工公司;木粉,廢棄的鋸木屑,過60目篩;馬來酸酐接枝高密度聚乙烯(H DPE-g-M AH,自制;短切玻璃纖維,沈陽長白物質(zhì)公司;偶聯(lián)劑KH-550,KH-570,南京曙光化工公司。1.2實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備5L高速混料機(jī):沈陽蘇家屯塑料機(jī)械廠;30 mm單螺桿擠出機(jī):沈陽蘇家屯塑料機(jī)械廠;萬能電子拉力機(jī):承德金鍵測試儀器有限公司;簡支梁沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī):承德金鍵測試儀器有限公司。1.3木粉的表面處理將木粉放入高混機(jī)中

4、,升溫至110,并抽真空15min,木粉中含有很多親水性羥基,易吸濕,影響加工質(zhì)量,因此使用前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理,充分烘干。再將偶聯(lián)劑與去離子水?dāng)嚢杌靹?使其水解,并將其加入到在高混機(jī)中干燥的木粉中,升溫至120,混合均勻,使偶聯(lián)劑水解形成的反應(yīng)基團(tuán)與木粉表面的極性基團(tuán)充分反應(yīng)。1.4木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料的制備木粉與高密度聚乙烯、H DPE-g-M AH、潤滑劑等按一定配比混合均勻后,于單螺桿擠出機(jī),通過口模直接擠制成力學(xué)性能測試樣條。1.5木粉與短切玻璃纖維組合增強(qiáng)高密度聚乙烯的制備木粉、短切玻璃纖維、高密度聚乙烯、DHPE-g-M AH、潤滑劑等按一定配比混合均勻后,于單螺桿擠出機(jī)通過口

5、模直接擠制成力學(xué)性能測試樣條。1.6材料力學(xué)性能的測試采用萬能電子拉力機(jī)測定復(fù)合材料的拉伸和收稿日期:2005203214作者簡介:欒曉春(1964-,女,工程師。彎曲性能,采用簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測定復(fù)合材料的沖擊性能。2結(jié)果與討論2.1界面處理對復(fù)合體系的影響通過對木粉進(jìn)行表面處理所制得的木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料,其力學(xué)性能如表1。表1界面處理方法對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響木粉表面處理方法拉伸強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(kgm2,在木粉填充的聚合物中,其界面如果能形成強(qiáng)的粘接,則可以使其起到增強(qiáng)的作用。未經(jīng)處理的木粉分散性差,與高密度聚乙烯復(fù)合后,由于二者間的相容性差,在成型加工

6、過程中木粉未能被高密度聚乙烯熔體充分潤濕,界面結(jié)合較差,因而力學(xué)性能較差。使用偶聯(lián)劑KH-550或KH-570處理木粉,偶聯(lián)劑水解后生成羥基,與木粉表面的羥基可以通過縮合反應(yīng)形成化學(xué)鍵結(jié)合或通過氫鍵等形成強(qiáng)的相互作用,并包覆在木粉表面,減弱了木粉的親水性,能有效地降低木粉的表面能,提高木粉的分散性,提高其與低表面能的高密度聚乙烯的潤濕性,可在一定程度上改善兩相間的界面粘結(jié),因而其力學(xué)性能有所提高。2.2木粉含量對材料力學(xué)性能的影響表2列出了木粉含量對高密度聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。表2木粉含量對材料力學(xué)性能的影響木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%拉伸強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(kgm2由表2可見

7、,隨木粉含量的增加,材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度都出現(xiàn)升高的趨勢,可見,木粉的存在使得材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度得到明顯的改善,但是與其他大多數(shù)增強(qiáng)材料一樣,在提高材料剛性的同時(shí),也使材料的韌性出現(xiàn)下降的趨勢,表現(xiàn)了沖擊強(qiáng)度的下降,并隨木粉含量的增多,沖擊強(qiáng)度進(jìn)一步下降,但趨勢較平緩。2.3改性高密度聚乙烯對材料力學(xué)性能的影響由于極性木纖維分子與非極性的高密度聚乙烯是不相容的,要使復(fù)合材料獲得較好的力學(xué)性能,必須借助改性高密度聚乙烯,起到增溶劑的作用。對于木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯而言,馬來酸酐接枝高密度聚乙烯(H DPE-g-M AH是一種效果良好的增溶劑,其分子鏈上的M AH基團(tuán)可以與木纖維分子中的羥

8、基形成酯鍵,其長鏈滲入到H DPE中與H DPE分子鏈相互纏結(jié),從而提高了基體與纖維兩相間的容合性。在加入50%木粉的條件下,不同含量的H DPE-g-M AH對材料力學(xué)性能的影響見表3。表3H DPE-g-M AH用量對材料力學(xué)性能的影響H DPE-g-M AH用量/%拉伸強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(k Jm2彎曲強(qiáng)度由表3可知,H DPE-g-M AH用量由10%增至20%材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均有明顯的提高。但就H DPE-g-M AH用量為20%和30%的試樣而言,兩者的性能就比較接近了。這說明依靠增加增溶劑用量來提高材料的力學(xué)性能是有限的。一方面是因?yàn)镠 DPE-g-M AH對木纖維的

9、包覆有一個(gè)臨界含量,超過此值再繼續(xù)加入,過量的H DPE-g-M AH不僅存在于兩相的界面,而且存在于H DPE的基體中;另一方面是因?yàn)樗玫腍 DPE-g-M AH的熔體流動(dòng)速率比H DPE高很多,分子量較小,因而強(qiáng)度也低一些。當(dāng)用量再增加時(shí),相當(dāng)于降低了基體樹脂的強(qiáng)度。在共混過程中,H DPE-g-M AH組分向纖維與基體的界面擴(kuò)散而形成界面層。由于其強(qiáng)度比H DPE低,過量的加入就可能使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。2.4木粉與短切玻璃纖維的組合增強(qiáng)不同木粉含量、玻璃纖維含量的組合增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能如表4。242遼寧化工2005年6月表4木粉與短切玻璃纖維組合增強(qiáng)H DPE 的力學(xué)性能木粉

10、質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%拉伸強(qiáng)度/MPa 彎曲強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(k J m 22052.0368.1614.58從表4中可以看到,在相同木粉含量的復(fù)合體系中,隨著玻璃纖維含量的增大,材料的拉伸、彎曲及沖擊性能均呈提高趨勢。木粉含量對材料力學(xué)性能的影響與其中的玻璃纖維的含量有關(guān)。在不含玻璃纖維的體系中,隨著木粉含量的提高,材料的拉伸、彎曲性能均有所改善;當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%20%時(shí),木粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0提高到20%,材料的拉伸性能仍能保持上升的趨勢,但是隨著木粉含量的進(jìn)一步增加時(shí),由于體系在混合、加工時(shí),一些玻璃纖維及木粉不能完全被聚合物包覆,從而造成界面缺陷。3結(jié)論(1將木

11、粉進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砜梢蕴岣吣痉鄣姆稚⑿?改善木粉與高密度聚乙烯之間的相容性,有利于木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的改善。(2木粉的加入,可使高密度聚乙烯復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能得到明顯提高,并隨木粉加入量的增加而提高。但沖擊強(qiáng)度有平緩下降的趨勢。(3改性高密度聚乙烯的加入,可以明顯提高木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。(4木粉與短切玻璃纖維組合增強(qiáng)高密度聚乙烯復(fù)合材料中,隨著玻璃纖維含量的增大,材料的性能明顯提高,采用短切玻璃纖維與木粉組合增強(qiáng),可以大幅度提高木粉增強(qiáng)高密度聚乙烯的力學(xué)性能,同時(shí)降低玻璃纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯的成本。參考文獻(xiàn)1廖兵,黃玉惠,陳鳴才.改性

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13、0077:852-856Preparation and Property Study of Wood Flour R einforced H DPELUAN Xiao 2chun(Shenyang G racew orld C omposite Materials C O.LT D.,110027,China Abstract :Rein forced high density polyethylene composite with w ood flour were prepared by twin-screw extruder and methods to m odifytheir mech

14、anical properties were studied.Results showed that the composite mechanical properties were improved as w ood flour dosage was increased.The proper surface treatment of w ood flour and the m odification of matrix resin can effectively increase the interfacial ad 2hesion strength significantly and improve the mechanical properties of the system.C omposites with high mechanical proper