注塑級(jí)環(huán)保竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

耿 偉,劉 煜,王浩江,王 斌,楊育農(nóng)

(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

注塑級(jí)環(huán)保竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的性能研究

耿 偉,劉 煜,王浩江,王 斌,楊育農(nóng)

(廣州合成材料研究院有限公司,廣東廣州,510665)

選用纖維強(qiáng)度較高的竹粉做原料,通過(guò)對(duì)纖維預(yù)處理以及對(duì)改性技術(shù)進(jìn)行研究,并使用聚烯烴的接枝改性物作為界面相容劑來(lái)制備木塑復(fù)合材料。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)界面增容和添加功能助劑,可在較低溫度下進(jìn)行竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的生產(chǎn),同時(shí)復(fù)合材料的流動(dòng)性能夠滿足注塑工藝的要求。在三種聚烯烴接枝改性物中,聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐對(duì)復(fù)合材料竹粉/聚丙烯界面相容性的總體改善效果優(yōu)于乙烯-辛烯共聚物接枝馬來(lái)酸酐和聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐,在竹粉用量為 40% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較優(yōu)且具有濃郁的木香味。

注塑;竹粉;聚丙烯;復(fù)合材料

近年來(lái),利用木材廢棄物作為熱塑性塑料的填料或增強(qiáng)材料制造木塑復(fù)合材料 (wood-plastics composites,縮寫(xiě)為 W PC)逐漸引起人們的重視。木塑復(fù)合材料產(chǎn)品充分體現(xiàn)了可再生資源的有效利用與石油產(chǎn)品的循環(huán)利用,它的興起對(duì)于緩解當(dāng)前木材與石油資源緊缺、廢棄物回收利用困難和環(huán)境污染嚴(yán)重等亟待解決問(wèn)題,具有十分重要的意義[1]。

通常,木塑復(fù)合材料中植物纖維的添加量大于40%,并且植物纖維和熱塑性樹(shù)脂的相容性較差,這使得木塑復(fù)合材料熔體的流動(dòng)性變差,導(dǎo)致木塑復(fù)合材料的加工性能和制品的綜合性能變差[2]。此外植物纖維在 200℃就開(kāi)始炭化分解,這就要求木塑復(fù)合材料的成型加工溫度要低于 200℃[3]。目前市場(chǎng)上的木塑復(fù)合材料大多數(shù)是采用擠出成型的加工方法,而對(duì)于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品就不適用。注塑成型可以得到復(fù)雜形狀的制品,但要求木塑復(fù)合材料熔體的流動(dòng)性好;注塑成型的加工溫度要高于擠出成型的加工溫度,這還要求木塑復(fù)合材料可耐高溫加工,以上兩點(diǎn)限制了木塑復(fù)合材料的注塑成型[4]。

本實(shí)驗(yàn)選用纖維強(qiáng)度較高的竹粉纖維做原料,通過(guò)對(duì)纖維預(yù)處理以及改性技術(shù)進(jìn)行研究,并使用不同的聚烯烴的接枝改性物作為木塑復(fù)合材料界面的相容劑,研究了不同的界面相容劑對(duì)復(fù)合材料的綜合性能的影響。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

竹粉,100目,市售;聚丙烯 EPC30R-H,茂名石化;聚丙烯接枝馬來(lái)酸酐 (PP-g-MAH)和乙烯-辛烯共聚物 (POE)接枝馬來(lái)酸酐 (POE-g-MAH),市售;聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐 (PE-g-MAH),自制;抗氧劑 168和抗氧劑 1010,市售;硅烷偶聯(lián)劑,市售;硬脂酸鈣,市售。

1.2 主要設(shè)備和儀器

HT-30平行同向雙螺桿擠出機(jī),南京橡塑機(jī)械廠;BT80V-Ⅰ注塑機(jī),廣州博創(chuàng)機(jī)械有限公司;熔融指數(shù)儀,承德德盛試驗(yàn)機(jī)有限公司;XLD-液晶電子拉力試驗(yàn)機(jī),承德市金建檢測(cè)儀器有限公司;XJU-5.5懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī),承德市金建檢測(cè)儀器有限公司。

1.3 竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的制備

將 40份 (復(fù)合材料總質(zhì)量記為 100份)的竹粉進(jìn)行干燥、硅烷偶聯(lián)劑表面改性等前處理,然后同聚丙烯 EPC30R-H、界面相容劑和其他各種助劑在高速攪拌機(jī)中混合均勻,在 140℃-165℃的溫度下經(jīng)過(guò)雙螺桿擠出機(jī)共混造粒,再利用注塑機(jī)在160℃的溫度下制備標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試。主要工藝流程圖如下:

1.4 性能測(cè)試

在溫度為 230℃,負(fù)荷為 2.16kg的條件下,使用熔融指數(shù)儀測(cè)試復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率。

在拉伸速率為 20mm/m in的條件下,使用電子拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試材料的拉伸性能。

在速率為 2mm/m in,撓度為 6mm的條件下,測(cè)試材料的彎曲強(qiáng)度。

選用 2.75J的擺錘,測(cè)試材料的懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動(dòng)性能

表 1給出了純聚丙烯基體和添加了不同相容劑的竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率測(cè)試結(jié)果。

表 1 純聚丙烯和竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率Table 1 The melt flow rate of polypropylene and bamboo flour/polypropylene composites

由表 1可知,添加了竹粉后復(fù)合材料的流動(dòng)性比聚丙烯基體的流動(dòng)性有不同程度的降低。但是,在經(jīng)過(guò)相同條件下用硅烷偶聯(lián)劑處理竹粉之后,添加了 PP-g-MAH來(lái)作為界面相容劑的復(fù)合材料的流動(dòng)性降低最少,這是因?yàn)檫@種相容劑的流動(dòng)性好并且非極性一端與基體的相容性最好,在熔融狀態(tài)時(shí),能很好地將外力傳遞給填料,帶動(dòng)填料和基體一起運(yùn)動(dòng)[5]。作為彈性體的 POE-g-MAH加入到復(fù)合材料中后,也有較好的界面相容性,但是不如PP-g-MAH好,因此流動(dòng)性也就略微差。而自制的PE-g-MAH由于自身交聯(lián)度較大流動(dòng)性差,雖然有較好的界面相容性,但不能很好地傳遞應(yīng)力,也就不能帶動(dòng)填料和基體一起運(yùn)動(dòng),因而材料的流動(dòng)性最差。

雖然使用不同的界面相容劑對(duì)復(fù)合材料的流動(dòng)性有較大影響,但上述三種復(fù)合材料的流動(dòng)性都能滿足注塑工藝的要求。

2.2 力學(xué)性能

表 2給出了純聚丙烯基體和添加了不同相容劑的竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表 2 純聚丙烯和竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 2 The mechanical properties of polypropylene and bamboo flour/polypropylene composites

由表 2可以看出,大量竹粉纖維的加入使得材料的斷裂伸長(zhǎng)率大幅下降,沖擊性能也有所下降。對(duì)于竹粉/聚丙烯/PP-g-MAH復(fù)合材料,由于 PP-g-MAH相容劑的存在,材料在受到外力作用時(shí),應(yīng)力能夠很好地傳遞,從而吸收大量能量,使得復(fù)合材料的沖擊性能相對(duì)于基體有較大程度的保持率[6]。隨著 POE-g-MAH和 PE-g-MAH作為相容劑的效用遞減,其對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度也逐漸下降。此外,三種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相對(duì)于聚丙烯基體都有明顯的增加,這是因?yàn)橹穹劾w維均勻地分散在復(fù)合材料中并且各向同性,對(duì)材料起到了很好的增強(qiáng)作用。

3 結(jié)論

(1)PP-g-MAH對(duì)復(fù)合材料竹粉/聚丙烯界面相容性的總體改善效果優(yōu)于 POE-g-MAH和 PE-g-MAH;以 PP-g-MAH為界面相容劑時(shí),竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較優(yōu)。

(2)經(jīng)過(guò)界面增容和添加功能助劑,能夠在較低溫度下進(jìn)行竹粉/聚丙烯復(fù)合材料的生產(chǎn)。

(3)復(fù)合材料的流動(dòng)性相對(duì)聚丙烯基體有不同程度的降低。但是,具有良好界面相容性的相容劑的存在使復(fù)合材料的流動(dòng)性能夠滿足注塑工藝的要求。

(4)竹粉用量在 40%時(shí),復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好且具有濃郁的木香味,是木材的理想替代品。

[1]王少龍,周榮,蔣業(yè)華.木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(1):68-70.

[2]劉濤,何慧,洪浩群,賈德民.木塑復(fù)合材料研究進(jìn)展 [J].絕緣材料,2008,41(2): 38-41.

[3]Jochen Gassan,Andrzej K Bledzki.Thermal Degradation of Flax and Jute Fibers[J].Journal of Applied Polymer Science,2001,82:1417-1422.

[4]王超,何繼敏.木塑復(fù)合材料注射成型的研究進(jìn)展 [J].工程塑料應(yīng)用,2008,36(6): 81-84.

[5]李自強(qiáng).木塑復(fù)合材料制備及性能研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院,2009, 1-53.

[6]劉文鵬,姚姍姍,陳曉麗,等.影響聚丙烯基木塑復(fù)合材料力學(xué)性能因素 [J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2006,18(2):19-22.

Study on Proper ties of Injection Molding Bamboo Flour/Polypropylene Composites

GENG Wei,LIU Yu,WANG Hao-jiang,WANGB in,YANG Yu-nong
(Guangzhou Research Institute of Synthetic Materials,Guangzhou 510665,Guangdong,China)

In this paper, bamboo flour with high fiber strength, polyp ropylene and grafting modifier of polyolefin were used to prepare bamboo flour/polypropylene composites. And, the fiber pretreatment and modification technology were also studied. The results showed that bamboo flour /polypropylene composites using interfacial compatibilizer and functional additives had can been produced at lower temperatures and injection molding. Overall, interfacial compatibility of the composites using PP-g-MAH as compatibilizer was imp roved more than using POE-g-MAH and PE-g-MAH. The comprehensive mechanical properties of bamboo flour /polypropylene composites were favorable when bamboo flour content was 40% (mass fraction).

injection;bamboo flour;polypropylene;composites

TQ 325.1+4

2010-12-06