注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

胡志華，劉建中，付錦鋒，王 林，葉南飚，蔡彤旻

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510520）

注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

胡志華，劉建中，付錦鋒，王 林，葉南飚，蔡彤旻

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510520）

采用自制相容劑制備聚丙烯（PP）基植物纖維增強(qiáng)材料．結(jié)果表明，PP基植物纖維增強(qiáng)材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品，流動(dòng)性優(yōu)良，可以在汽車上廣泛使用．與通用PP，HIPS等材料相比，注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料的注塑溫度降低約40℃，注塑時(shí)間比其他通用樹(shù)脂約縮短10%，較大幅度地降低了能耗．

注塑級(jí)聚丙烯；植物纖維增強(qiáng)；能耗

近20年來(lái)，全球植物纖維增強(qiáng)材料的應(yīng)用迅速發(fā)展．據(jù)德國(guó)科隆舉行的2009年木塑復(fù)合材料（WPC）大會(huì)報(bào)道，目前全球 WPC產(chǎn)量超過(guò)150萬(wàn)噸，其中北美地區(qū)產(chǎn)量以100萬(wàn)噸高居榜首，中國(guó)20萬(wàn)噸，日本10萬(wàn)噸和德國(guó)7萬(wàn)噸．《2010～2012年中國(guó)塑料行業(yè)市場(chǎng)分析及投資咨詢報(bào)告》指出，中國(guó)的WPC產(chǎn)品比歐洲地區(qū)的適用范圍更為廣泛，市場(chǎng)更廣闊，中國(guó)WPC市場(chǎng)年增長(zhǎng)率為30%．但是中國(guó)的WPC主要應(yīng)用于擠出型材和托盤(pán)等粗放型產(chǎn)品，根據(jù)Principia的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料制品的銷售在整個(gè)植物纖維增強(qiáng)材料產(chǎn)品中（不包含壓制成型產(chǎn)品）僅占3%．但在近兩年內(nèi)，將以每年70%的速度發(fā)展［1－2］．

與之同時(shí)，綠色環(huán)保成為21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)和主旋律，這主要由于以石油、天然氣和煤炭為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)，對(duì)化石能源的需求和消耗的日趨嚴(yán)重．國(guó)務(wù)院總理溫家寶提出要加快發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)，努力占領(lǐng)國(guó)際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)．最近，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議提出，要大力發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，并對(duì)如何發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)做了具體部署，包括培育以低碳排放為特征的新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，加快建設(shè)以低碳排放為特征的工業(yè)、建筑、交通體系等．《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006～2020年）》明確將流程工業(yè)綠色化作為優(yōu)先主題的重要內(nèi)容，《國(guó)家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》將“綠色制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備”作為國(guó)家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目．植物纖維增強(qiáng)材料采用部分可再生的天然植物纖維替代石油基高分子材料，是圍繞當(dāng)今世界“節(jié)約石油資源、開(kāi)發(fā)綠色材料、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色經(jīng)濟(jì)”主題的新型綠色材料．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 主要原材料和試劑

PP（通用級(jí)）；木粉（0．150 mm）；相容劑（自制）．

1．2 主要儀器及設(shè)備

TSE－75A型同向雙螺桿擠出機(jī)，南京瑞亞公司；CJ80M3V型注塑機(jī)，震德注塑機(jī)廠；電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī) H10K－S，Housfield公司；電子顯示沖擊試驗(yàn)機(jī)T92，Tinius Olsen公司；熱重分析儀（TGA）：德國(guó)NETZSCH公司；FT－F1型霧化測(cè)試儀：山東濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司．

1．3 試樣制備及測(cè)試

將木粉在105℃下烘干2 h，然后將所有原材料在高速混合機(jī)中進(jìn)行混合，采用雙螺桿在170℃下進(jìn)行擠出造粒．所得的膠料在注塑機(jī)上注塑成各種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試樣條，冷卻調(diào)節(jié)24 h后測(cè)試．力學(xué)性能根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試．

1．4 其他測(cè)試方法及條件

1．4．1 霧化測(cè)試法

根據(jù)美國(guó)通用汽車公司霧化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GMW3225，方法A，將原材料粒料分別放入特制的燒杯中，并蓋上已測(cè)定光澤度的特制的霧化實(shí)驗(yàn)專用玻璃片，然后置于加熱溫度為100℃，冷卻溫度為21℃的霧化箱中3 h，取下玻璃片，將其放置于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中，1h后測(cè)定光澤度，霧化指數(shù)由下式計(jì)算：

霧化指數(shù)＝Rf／Ro×100 （1）式（1）中Ro為成霧前玻璃片60°的光澤度值，Rf為成霧后玻璃片60°的光澤度值．

1．4．2 TGA測(cè)試條件

在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下從40℃升溫至700℃，升溫速率為20℃／min．

2 國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品性能對(duì)比

注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料雖然具有優(yōu)良的剛性和尺寸穩(wěn)定性，但是在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的發(fā)展速度仍然十分緩慢，主要原因是缺口沖擊強(qiáng)度和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度無(wú)法滿足部分制品的要求．與傳統(tǒng)的通用塑料注塑件相比，其抗跌落能力及支撐柱受力能力較差，即使在設(shè)計(jì)過(guò)程中增加制品的壁厚來(lái)彌補(bǔ)其不足，但某些部位仍然無(wú)法滿足力學(xué)要求，同時(shí)也增加單位制件的重量．

表1 各種注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料的性能對(duì)比［3］

從表1可見(jiàn)，當(dāng)植物纖維填充量均為40%時(shí)，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，本工作所開(kāi)發(fā)的植物纖維增強(qiáng)材料（KINGFA）在綜合力學(xué)性能和熱學(xué)性能上均具有明顯優(yōu)勢(shì)，缺口沖擊強(qiáng)度比國(guó)外同類材料高出60%～80%；UNIFill－6040－PP產(chǎn)品的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度僅為200 J／m，本工作開(kāi)發(fā)的材料高達(dá)305 J／m，比國(guó)外同類材料高出50%；本工作所開(kāi)發(fā)的植物纖維增強(qiáng)材料的流動(dòng)性要比同類國(guó)外同類產(chǎn)品提高6倍以上，這有利于縮短注塑時(shí)間、改善產(chǎn)品外觀和提高材料的力學(xué)性能．

3 植物纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)勢(shì)

金發(fā)科技股份有限公司自主開(kāi)發(fā)研制的注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料除了在力學(xué)和流動(dòng)性方面相比同類材料具有明顯優(yōu)勢(shì)外，在相容性、耐熱氧老化、揮發(fā)氣味及能耗等方面均具有其他產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢(shì)．

3．1 基材和纖維的界面結(jié)合

圖1為加入市售普通相容劑的PP基植物纖維增強(qiáng)材料的掃描電鏡照片，圖2為加入自制相容劑的PP基植物纖維增強(qiáng)材料的掃描電鏡照片．從圖可以看出，加入市售普通相容劑后，纖維與PP基體的相容性有所改善，但是纖維與PP基體的界面仍然清晰（圖1）．加入自制相容劑后，植物纖維增強(qiáng)材料中的纖維和PP基體界面變得模糊，PP樹(shù)脂完全包覆了植物纖維，表明纖維與基體之間的相容性良好．

3．2 熱氧老化性能

注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料主要應(yīng)用于家電市場(chǎng)，材料在使用過(guò)程中的局部溫度可能達(dá)到70～80℃，因此對(duì)注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行了80℃，1000 h的老化試驗(yàn)，研究老化條件對(duì)力學(xué)性能的影響．結(jié)果表明，老化前后材料的力學(xué)性能無(wú)明顯變化，保持良好，具備了在80℃條件下長(zhǎng)期使用的可能性，能滿足家電市場(chǎng)的要求．老化結(jié)果見(jiàn)圖3．

圖1 加入市售普通相容劑的PP基植物纖維增強(qiáng)材料斷面的掃描電鏡照片

圖2 加入自制相容劑的PP基植物纖維增強(qiáng)材料斷面的掃描電鏡照片

圖3 80℃條件下熱氧老化力學(xué)性能變化趨勢(shì)（植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）

由于注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料的熱變形溫度高達(dá)135℃，因此測(cè)試其在高溫長(zhǎng)時(shí)間使用情況下的熱氧老化性能．從圖4可以看到，在120℃、相對(duì)濕度90%的條件下，選擇適當(dāng)?shù)目寡躞w系，老化后力學(xué)性能保持良好，均在80%以上，因此說(shuō)明注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料的耐熱氧老化性能優(yōu)異，可以在高溫下較長(zhǎng)時(shí)間使用，進(jìn)一步擴(kuò)展了材料的使用范圍．

圖4 120℃下熱氧老化力學(xué)性能變化趨勢(shì)（植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．5%）

3．3 低揮發(fā)氣味性

本工作采用了TGA和汽車材料上所采用的霧化測(cè)試法測(cè)試在注塑過(guò)程中或受熱時(shí)揮發(fā)份，研究在使用過(guò)程中和注塑過(guò)程中出現(xiàn)表面析出等問(wèn)題．這些表面問(wèn)題主要是由于植物纖維的耐熱性較差所造成．以馬尾松木材纖維為例，低分子有機(jī)物和水分在100℃開(kāi)始分解，半纖維素和纖維素在200～70℃開(kāi)始劇烈分解，木質(zhì)素在310℃開(kāi)始緩慢分解［4］．而這些熱解的產(chǎn)物將對(duì)制件外觀和揮發(fā)份產(chǎn)生重要影響．從圖5中可看出植物纖維添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～40%時(shí)，PP基植物纖維增強(qiáng)材料在220℃左右出現(xiàn)0．1%的熱失重?fù)p失，結(jié)果明顯要低于普通植物纖維的低分子含量．結(jié)合掃描電鏡照片的觀察表明，在相容劑A和MPP的共同作用下，PP已經(jīng)完全包覆了植物纖維，使得植物纖維的低分子產(chǎn)物較難揮發(fā)，從而大大降低了植物纖維增強(qiáng)材料的揮發(fā)份．

圖5 10%～40%不同植物纖維含量的注塑級(jí)PP基增強(qiáng)材料的TGA曲線

表2 霧化測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2還可以看出，雖然隨著植物纖維含量的增加，其霧化指數(shù)越來(lái)越小，但是均能夠滿足一般使用要求．這也證明在高溫使用過(guò)程中，有機(jī)揮發(fā)份較少，同時(shí)也避免了采用普通潤(rùn)滑體系造成有機(jī)揮發(fā)份大、非植物纖維自身氣味明顯的弱點(diǎn)．

3．4 低能耗高效率

以注塑電視機(jī)后殼為例，注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料的注塑溫度在180～200℃，而HIPS的注塑溫度在230～245℃，僅注塑溫度就降低40℃以上；在同一臺(tái)注塑機(jī)，以32吋液晶電視機(jī)后殼為例，以HIPS作為基材，注塑周期為48～50 s，而采用注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料注塑周期為42～44 s，注塑時(shí)間縮短了近10%．由此可見(jiàn)，采用注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料不僅僅減少石油基樹(shù)脂的使用，同時(shí)注塑過(guò)程中的能耗比通用樹(shù)脂低．

4 注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料在汽車上的應(yīng)用

較多文獻(xiàn)報(bào)道了注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料在汽車、欄桿帽和花盆等制品上的應(yīng)用［1，5］，但是由于其力學(xué)性能、外觀和氣味方面劣于PP、HIPS等通用塑料，因此限制了其應(yīng)用范圍．金發(fā)科技股份有限公司自主開(kāi)發(fā)的注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料完全克服該類材料的弱點(diǎn)，采用了自制的相容劑之后，注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能近似或高于通用級(jí)PP，氣味比目前市場(chǎng)上的注塑級(jí)PP基植物纖維增強(qiáng)材料要小，同時(shí)耐熱性大大提高，熱變形溫度達(dá)到130℃以上．目前，金發(fā)注塑級(jí)植物纖維增強(qiáng)材料注塑而成的汽車門(mén)已經(jīng)通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)、耐熱測(cè)試、耐老化試驗(yàn)、氣味測(cè)試及裝配測(cè)試等一系列通用塑料所必需具備的測(cè)試，結(jié)果表明該材料完全可以代替普通的PP樹(shù)脂和PP玻璃纖維增強(qiáng)材料，適用于汽車工業(yè)．

5 結(jié) 論

（1）通過(guò)與國(guó)外不同牌號(hào)的植物纖維增強(qiáng)材料對(duì)比，金發(fā)科技采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強(qiáng)材料在力學(xué)方面特別是缺口和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度方面比同類產(chǎn)品高出約50%；流動(dòng)性是同類產(chǎn)品的6倍以上．

（2）掃描電鏡的觀察結(jié)果表明，采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強(qiáng)材料中植物纖維與基體樹(shù)脂呈現(xiàn)完全相容體系；從TGA和霧化測(cè)試上可以進(jìn)一步證明采用新配方生產(chǎn)的植物纖維增強(qiáng)材料PP樹(shù)脂已經(jīng)完全包覆植物纖維．

（3）采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強(qiáng)材料經(jīng)過(guò)80℃，1000 h熱氧老化試驗(yàn)后，其力學(xué)性能保持率均在80%以上，在經(jīng)過(guò)120℃，360 h熱氧老化試驗(yàn)后，力學(xué)性能保持率仍在80%以上．

（4）與通用樹(shù)脂PP和HIPS相比，采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強(qiáng)材料的注塑溫度降低40℃以上，成型周期縮短約10%，在減少使用石油基高分子材料的同時(shí)又進(jìn)一步節(jié)省能耗．

（5）采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強(qiáng)材料在汽車的應(yīng)用上得到認(rèn)可，已通過(guò)了相關(guān)測(cè)試．

［1］SCHUT J H．現(xiàn)代塑料編輯社，譯．注射、壓制成型用木質(zhì)復(fù)合材料［J］．現(xiàn)代塑料，2004（8）：48－52．

［2］王超．聚丙烯PP／木粉復(fù)合材料注射成型的研究［D］．北京：北京化工大學(xué)，2009．

［3］I DES，2010，http：／／www．ides．com／PWeb／obds．a(chǎn)spx？E＝33195．

［4］余瑋，吳新華．八種原料及其主成分熱解的研究——木材熱解機(jī)理初探［J］．林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1989（3）：13－22．

［5］黃銳，何陽(yáng)，錢(qián)玉英，等．塑木復(fù)合材料發(fā)展歷史和現(xiàn)狀［C］／／中國(guó)塑協(xié)改性塑料專委會(huì)七屆理事會(huì)會(huì)議論文資料集．沈陽(yáng)：中國(guó)塑協(xié)改性塑料專委會(huì)七屆理事會(huì)，2010．

Development and application of injection moulded nature fiber reinforced polypropylene composites

HU Zhi－h(huán)ua，LIU Jian－zhong，F(xiàn)U Jin－feng，WANG Lin，YE Nan－biao，CAI Tong－min
（Kingfa Sci．＆Tech．Co．Ltd．，Guangzhou 510520，China）

Injection moulded nature fiber reinforced polypropylene（PP）composites（IMNFRPC）were prepared by a home－made compatibilizer．The results showed that compared with similar products at home and abroad，IMNFRPC had excellent mechanical properties，and can be widely used in automobile．The injection moulding temperature of IMNFRPC is about 40℃lower than that of PP or HIPS，and injection cycle is about 10%shorter than that of the general resins，so that it can greatly reduce energy consumption for the production．

injection moulded polypropylene；nature fiber reinforcement；energy consumption

QT327．9

A

1673－9981（2010）04－0752－05

2010－10－20

胡志華（1978—），男，湖北石首人，碩士．