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)識碼:A文章編號:10040935(200506024103木粉價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

4、高混機(jī)中,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

5、機(jī)通過口模直接擠制成力學(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未處理17.7635.59 6.62K H-55019.9837.03 6.81K H-57020.4237.15 6.79,在木粉填充的聚合物中

6、,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)

7、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/(kgm2018.417.21021.121.112.32022.224.011.13024.632.49.94026.336.79.45027.543.28.6由表2可見,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,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

8、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)

9、度/MPa 018.07.431.61025.09.245.72030.78.155.52532.78.056.03030.07.557.3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對木纖維的包覆有一個臨界含量,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的熔體流動速

10、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,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 20025.1022.4210.7110025.3125.2311.9020027.13

11、34.7111.4930030.1639.6612.6201034.5831.1713.58101039.0147.4213.82201046.1262.4114.01301044.0963.2913.1802047.7962.9716.91102053.9570.2617.77202055.3971.4519.36302052.0368.1614.58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)

12、玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%20%時,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,由于體系在混合、加工時,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

13、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.改性木纖維對LDPE 和木纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.高分子材料科學(xué)與工程,1999,15(3:123-1252李思良,劉易凡.植物纖維/熱塑性樹脂界面膠接作用研究.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,1999,10(6:18-193揣成智,李樹,等.聚丙烯/接枝木纖維復(fù)合材料相容性及性能的研究.中國塑料,2000,14(5:23-284劉英俊,劉伯元.塑料填充改性.北京:中國輕工業(yè)出版社

14、,1998:1065M annan K H M ,M munir M D S.Characterization of jute fiberstreated with s oap -glycelles.Journal of Applied P olymer Sci 2ence ,200077:852-856Preparation 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 Abs

15、tract :Rein forced high density polyethylene composite with w ood flour were prepared by twin-screw extruder and methods to m odifytheir mechanical 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