木纖維與聚丙烯界面相容性的改善

木纖維與聚丙烯界面相容性的改善

由于產(chǎn)品具有很高的成本和廢棄后可再生回收，采用擠出技術(shù)生產(chǎn)的木纖維（粉）材料。近年來，由于親水塑料與親水性木纖維之間的界面粘度較低，木纖維在塑料體中的分散性差，以及材料的耐候性下降，本研究中木塑料表面的形成具有重要意義。一般來說，可以通過物理或化學(xué)方法對木纖維表面進(jìn)行預(yù)處理，改變木纖維表面的狀態(tài)，改善表面的耐水性，通過添加界面增強(qiáng)木纖維和丙烯的界面，提高界面的粘附性。為了提高涂層的抗結(jié)合性，在本研究中選擇的pp-g-mah和sebs-g-mah中引入了強(qiáng)極性側(cè)基。因此，它們可以用作增強(qiáng)剛性材料和非剛性材料的相互滲透性的混合劑。同時(shí)，由于sebs-g-mahsebs鏈段不僅具有非導(dǎo)電產(chǎn)品的sd的塑性，而且具有室溫橡膠的高彈性、高膨脹強(qiáng)度和高模量。因此，sebs-g-mah具有增強(qiáng)劑和偶聯(lián)劑的雙重作用，因此可以使用共燃燒、減少和改性聚丙烯。在這項(xiàng)工作中，我們研究了不同含量的多碳民事膜（sem）和動態(tài)力學(xué)分析（畸變）對材料性能的影響。1材料和方法1.1木纖維及偶聯(lián)劑聚丙烯:T30,熔融指數(shù)302g/min,大慶石化公司生產(chǎn);木纖維:40目以上,自制;偶聯(lián)劑:PP--g--MAH;增韌劑:SEBS--g--MAH.1.2力學(xué)性能測試雙階塑料擠出機(jī)組:SJSH30/SJ45,南京橡膠機(jī)械廠;電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī):RGT--20A,深圳瑞格爾REGER儀器有限公司;沖擊試驗(yàn)機(jī):XJ--50G,河北承德力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)有限公司;動態(tài)力學(xué)熱分析儀:NeTZSCHGer?tebauGmbHDMA242,德國;SEM:FEIQUNGTA200型.復(fù)合材料的拉伸性能根據(jù)GB/T1040--1992測試;彎曲性能根據(jù)GB/T9341--2000測試;沖擊性能根據(jù)GB/T1043--93測試;動態(tài)力學(xué)性能頻率1Hz試驗(yàn)試件尺寸為:55mm×10mm×4mm;微觀相形態(tài)觀察:將樣品在液氮中脆斷,脆斷表面經(jīng)噴金處理后,利用SEM分析儀在10kV加速電壓下觀察其斷面形態(tài).1.3材料的制備1.3.1纖維篩選用40目的標(biāo)準(zhǔn)篩將木纖維進(jìn)行過篩處理,除去較長的木纖維,這有利于提高復(fù)合材料材質(zhì)的均勻性.1.3.2纖維干燥將篩選好的木纖維放入DHG--9140型電熱恒溫干燥箱中干燥2h,保證木纖維的終含水率在3%左右.1.3.3材料的混合每次將各組分按質(zhì)量比例稱好1kg放入SHR--10A型高速混合機(jī)中進(jìn)行混合,使各組分能更均勻的分散.1.3.4木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備將混合好的原料利用雙階塑料擠出機(jī)組,在各階段的控溫155～190℃范圍內(nèi)擠出片材后,直接冷卻定型成型材,然后將試樣放置1d待用.木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的配方見表1.2結(jié)果與討論2.1pp--g--mah添加量對復(fù)合體系的影響木纖維/聚丙烯復(fù)合材料在添加PP--g--MAH后的拉伸和彎曲強(qiáng)度的變化見圖1.與未添加PP--g--MAH的復(fù)合材料相比,復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度在添加PP--g--MAH后都有一定的提高.添加5%PP--g--MAH的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了44.3%,彎曲強(qiáng)度提高了18.4%,說明添加PP--g--MAH改善了極性木纖維與非極性聚丙烯界面間的結(jié)合性,并提高了木粉的分散性,使復(fù)合體系更均勻、更穩(wěn)定.當(dāng)PP--g--MAH的添加量較低時(shí),隨著PP--g--MAH的含量的增加,起增容作用的接枝物也不斷增多,能夠進(jìn)一步提高木纖維與聚丙烯基體間的相容性;但當(dāng)添加量達(dá)到8%時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均有所下降.這主要是由于PP--g--MAH的添加量存在一個(gè)臨界值,并且純PP--g--MAH的斷裂強(qiáng)度比純PP的斷裂強(qiáng)度低.過量的PP--g--MAH在木纖維和聚丙烯兩相之間聚集就會形成弱的PP--g--MAH基質(zhì)層,所以復(fù)合材料在拉壓斷裂時(shí)就會從弱的PP--g--MAH基質(zhì)層處斷裂,從而降低了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度.木纖維/聚丙烯復(fù)合材料無缺口沖擊強(qiáng)度顯示(圖2),當(dāng)添加5%PP--g--MAH后,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高了39%.這也是由于復(fù)合材料在受到?jīng)_擊時(shí),兩相較好的界面結(jié)合能夠吸收一定的沖擊能,所以提高了復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度.但是添加8%的PP--g--MAH后,復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度反而下降,這可能與PP--g--MAH本身的脆性較大有關(guān).可見,從改善沖擊性能考慮,PP--g--MAH的添加量也不是越高越好.2.2sebs--g--mah添加量對復(fù)合材料彎曲性能的影響木纖維/聚丙烯復(fù)合材料添加SEBS--g--MAH后的拉伸和彎曲強(qiáng)度的變化見圖3.當(dāng)添加5%SEBS--g--MAH時(shí),復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高,表明SEBS--g--MAH在復(fù)合體系中起到了界面相容劑的作用,改善了木纖維與聚丙烯的界面粘合性;當(dāng)繼續(xù)增加SEBS--g--MAH含量時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有所降低,這是由于SEBS--g--MAH的添加量過多時(shí),SEBS--g--MAH的彈性鏈段的強(qiáng)度較低以及復(fù)合材料易產(chǎn)生應(yīng)力集中所至.當(dāng)SEBS--g--MAH含量達(dá)到5%以后,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨SEBS--g--MAH的含量的增加均有不同程度的下降,所以為了不使材料的彎曲性能受到較大的損失,SEBS--g--MAH的添加量應(yīng)盡量少些為宜.隨著SEBS--g--MAH含量的不斷增加,復(fù)合材料的無缺口沖擊性能不斷提高(圖4).這是由于SEBS--g--MAH中的SEBS鏈段具有良好的柔性,當(dāng)SEBS--g--MAH作為一種界面相容劑存在于木纖維與聚丙烯兩相之間時(shí),能形成一種抗沖擊的柔性界面層,進(jìn)而提高了復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度.添加5%SEBS--g--MAH后復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度提高了55.7%;而添加10%SEBS--g--MAH后復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度增加量達(dá)到了81.7%.這主要是由于隨著SEBS--g--MAH含量的增加,能夠吸收沖擊能的SEBS鏈鍛增多,進(jìn)而柔性界面層抗沖擊性增強(qiáng),提高了復(fù)合材料的沖擊性能.2.3pp--g--mah復(fù)合材料的剛性與靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)相比,材料的動態(tài)力學(xué)性能測試更能反映材料在實(shí)際使用條件下的力學(xué)性能.圖5是未添加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料、添加5%PP--g--MAH和5%SEBS--g--MAH的復(fù)合材料的存儲模量(E′)隨溫度的變化曲線.隨著溫度的升高,3種復(fù)合材料的存儲模量呈現(xiàn)下降趨勢.這是因聚丙烯在不斷升溫的過程中,分子各種運(yùn)動方式加劇造成的.在聚丙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(約為-7℃)附近,鏈段運(yùn)動加劇而使存儲模量急劇降低.在聚丙烯的玻璃態(tài)區(qū)域內(nèi),與未添加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料相比,添加偶聯(lián)劑PP--g--MAH的復(fù)合材料的存儲模量有所提高,復(fù)合材料的剛性得到了增強(qiáng).這主要是由于PP--g--MAH中的馬來酸酐極性基團(tuán)與木纖維中的羥基結(jié)合形成酯鍵,增強(qiáng)了木纖維與聚丙烯兩相間的結(jié)合;剛性較大的木材對聚丙烯分子內(nèi)的運(yùn)動有束縛作用,從而提高了復(fù)合材料的剛度.添加SEBS--g--MAH的復(fù)合材料,在整個(gè)試驗(yàn)溫度區(qū)內(nèi),存儲模量均降低.這是因?yàn)镾EBS--g--MAH是一種經(jīng)馬來酸酐接枝改性的熱塑性彈性體,在分子鏈中存在乙烯丁二烯柔性鏈段,能夠在高分子鏈的較寬的區(qū)域內(nèi)保持柔順性,這種材料的彈性模量低,所以添加SEBS--g--MAH能夠降低復(fù)合材料的儲能模量.圖6是未添加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料、添加5%的PP--g--MAH和添加5%的SEBS--g--MAH的復(fù)合材料損耗因子(tanδ)隨溫度的變化曲線.在-7℃附近的主轉(zhuǎn)變峰對應(yīng)于復(fù)合材料中聚丙烯無定形區(qū)的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度.可以看出,當(dāng)添加PP--g--MAH或SEBS--g--MAH后,復(fù)合材料的主轉(zhuǎn)變峰值均有所降低,表明這兩種偶聯(lián)劑的加入,都能夠提高木纖維與聚丙烯之間的相容性,降低了木纖維與聚丙烯之間的摩擦熱損耗.在80℃時(shí),添加SEBS--g--MAH的復(fù)合材料次級轉(zhuǎn)變出現(xiàn)較高的峰值,說明這種材料的阻尼性能提高,抗沖性能增強(qiáng).這與靜態(tài)力學(xué)測試中添加SEBS--g--MAH使復(fù)合材料沖擊性能提高的結(jié)果相一致.2.4復(fù)合界面的表征采用SEM觀察復(fù)合材料斷面微觀相形態(tài),并檢驗(yàn)PP--g--MAH、SEBS--g--MAH對復(fù)合材料界面形態(tài)的影響.圖7顯示了未添加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料(a)、添加5%的PP--g--MAH(b)和添加5%的SEBS--g--MAH(c)的復(fù)合材料的電鏡照片.從圖7(a)可以看出,未添加偶聯(lián)劑時(shí),木纖維與聚丙烯的結(jié)合并不緊密,斷面中木纖維從聚丙烯中被抽出后留下較多的坑洞,在脆斷過程中被抽出的纖維散亂的分布在斷層表面,說明兩相結(jié)合性較差;從圖7(b)中可以看出,木纖維在聚丙烯中的分散較為均勻,斷面并無被抽出的木纖維,并且很難看出被聚丙烯包裹的木纖維,說明兩相間的結(jié)合得到改善,這種界面層的形成可能是由于木材中含有的羥基與PP--g--MAH中的酸酐生成了酯鍵,降低了木材表面自由能,因而改善了木塑復(fù)合界面的相容性;圖7(c)與圖7(b)相似,斷面形態(tài)與未添加偶聯(lián)劑時(shí)相比變得更加規(guī)整,并無明顯的木纖維被抽出的痕跡,說明兩相之間的界面也有了一定改善.3動態(tài)力學(xué)分析1)添加5%的PP--g--MAH后,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和無缺口沖擊強(qiáng)度都有了較大的提高.2)添加5%SEBS--g--MAH后,復(fù)合材料的無缺口沖擊強(qiáng)度