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      聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料的研究

      2011-11-18 05:50:02李學(xué)鋒閆晗胡波
      湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年16期
      關(guān)鍵詞:聚烯烴預(yù)處理性能

      李學(xué)鋒 閆晗 胡波

      摘要:利用經(jīng)過預(yù)處理的木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣與高密度聚乙烯、聚丙烯制備了聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料,并研究了其力學(xué)性能、熱變形溫度與相態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,木粉復(fù)合材料力學(xué)性能最高,甘蔗渣復(fù)合材料次之,稻草復(fù)合材料和稻糠復(fù)合材料稍差; 顯微成像表明經(jīng)合適預(yù)處理的纖維在樹脂中分布均勻。該法制備的新型復(fù)合材料是應(yīng)用天然纖維的一種有效方法。

      關(guān)鍵詞:天然纖維;聚烯烴;預(yù)處理;性能

      中圖分類號(hào):TQ325.14;TQ327.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2011)16-3375-03

      Study on Properties of Polyolefin / Natural Fiber Composites

      LI Xue-fenga,YAN Hanb,HU Boa

      (a.School of Chemical & Environmental Engineering; b.School of Civil and Building Engineering, Hubei University of Technology,

      Wuhan 430068, China)

      Abstract: Polyolefin / natural fiber composites were prepared by use of wood flour, rice bran, straw and bagasse by pretreatment with HDPE and PP. The mechanical properties, distortion temperature and morphology in the composites were investigated. The results showed that the wood flour composites had the best mechanical properties, followed by bagasse, and straw and rice bran composites were slightly less. Microscopy tests indicated that the natural fibers in the composites were uniform distributed by appropriate pretreatment. Manufacturing the novel composites was an availability method to use natural fiber.

      Key words: natural fiber; polyolefin; pretreatment; properties

      天然纖維復(fù)合塑料主要是由纖維素材料(包括木粉、竹粉、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等)和樹脂復(fù)合而成,一般天然纖維由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3類物質(zhì)組成,其中纖維素可占一半以上。該復(fù)合材料具有顯著的優(yōu)點(diǎn):相對(duì)密度比玻璃纖維小,加工能耗低,對(duì)設(shè)備磨損?。毁Y源豐富,節(jié)約木材,節(jié)能環(huán)保。目前用天然纖維填充的塑料制品已應(yīng)用在建材、家具、包裝材料、裝飾材料等領(lǐng)域,特別是近年來從防治病蟲害傳播角度考慮,減少了用木材作為包裝材料,而使用天然纖維填充制成的復(fù)合塑料制品,其市場(chǎng)越來越大。同時(shí)人們對(duì)不同的天然纖維填充塑料的結(jié)構(gòu)與性能的研究也產(chǎn)生了很大的興趣[1-4]。我國(guó)生物質(zhì)原料很豐富,僅農(nóng)作物秸稈(包括玉米秸稈、小麥秸稈和稻草等)每年高達(dá)7億t。只有其中一小部分秸稈被用作飼料、造紙等用途,還普遍存在著原料利用率低的問題。每年約有2億t秸稈被就地焚燒,造成了巨大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染[5,6]。因此這里分別使用4種不同的天然纖維(木粉、稻糠、稻草及甘蔗渣)與高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)復(fù)合做成聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料樣品,進(jìn)行性能測(cè)試,以期發(fā)現(xiàn)其規(guī)律,指導(dǎo)該類復(fù)合材料的生產(chǎn)。

      1材料與方法

      1.1材料

      1.1.1材料與試劑PP(PPK8303)、HDPE(6100M),北京燕山石化公司;天然纖維,采自農(nóng)業(yè)廢棄物;超細(xì)滑石粉,800目滑石粉,遼寧海城市合成微細(xì)石粉廠;乙醇,化學(xué)純,河南大學(xué)化工廠;氫氧化鈉,分析純,武漢市江北化學(xué)試劑有限責(zé)任公司;硅烷(KH570、KH560、KH550等),武漢華昌有機(jī)硅有限公司。

      1.1.2儀器與設(shè)備SXK-160B×330型開放式煉膠機(jī),福建永春輕工機(jī)械廠;ZHY-W型萬能制樣機(jī),XCJ-4型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī),河北承德材料試驗(yàn)機(jī)廠;SL-45型壓力成型機(jī),上海第一橡膠機(jī)械廠;QLB-350×350×2型平板硫化機(jī),江蘇無錫第一橡塑機(jī)械設(shè)備廠;XL-100A型拉力試驗(yàn)機(jī),廣州實(shí)驗(yàn)儀器廠;CS101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱,重慶四達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;XJZ-6型正置式金相顯微鏡,南京儀器廠。

      1.2方法

      1.2.1工藝流程復(fù)合材料制樣工藝流程如下。

      天然纖維預(yù)處理→配料→高速混料→混煉→壓片→制樣→性能測(cè)試

      1.2.2天然纖維的預(yù)處理將天然纖維置于140 ℃下連續(xù)烘干3 h,以除去天然纖維中易揮發(fā)、易分解的組分,使天然纖維軟化分離;用合適濃度的NaOH溶液浸泡蔗渣40 h,攪拌揉搓用去離子水沖洗干凈,干燥,磨碎天然纖維過100目篩。取用乙醇稀釋適量的硅烷復(fù)合偶聯(lián)劑,與未經(jīng)過表面處理的天然纖維高速攪拌均勻,置于100 ℃烘箱中干燥3 h,即為預(yù)處理的改性天然纖維。其流程如下。

      纖維→烘干磨碎→堿泡→揉搓水洗→表面偶聯(lián)→改性纖維

      1.2.3復(fù)合材料的制備?。保埃胺輼渲校谢騂DPE分別與適量預(yù)處理的天然纖維混合均勻,加入5份滑石粉,高速混合5 min,出料待用。在雙輥開煉機(jī)上混合約10 min,溫度185 ℃。在平板硫化機(jī)上熱壓成型,熱壓溫度190 ℃,預(yù)熱時(shí)間 3 min,加壓時(shí)間 4 min,壓力10 MPa,冷壓5 min,最后按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備各項(xiàng)性能測(cè)試樣條。

      1.2.4性能測(cè)試?yán)煨阅馨矗牵拢?16421-1996測(cè)試,試驗(yàn)速度為50 mm/min。抗沖擊性能按GB/T 1043-1993測(cè)試簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度,低溫樣條置于-15 ℃下冷凍48 h,取出后馬上測(cè)試。彎曲性能按GB/T 9341-2000測(cè)試,試驗(yàn)速度為2 mm/min。熱變形溫度按GB/T 1634-1979測(cè)試,升溫速率為

      3 ℃/min。

      1.2.5形態(tài)分析將試樣切片通過金相顯微鏡做相差觀察,鏡頭放大倍數(shù)均為200倍。

      2結(jié)果與分析

      2.1性能分析

      天然纖維材料中纖維素含量越高,利用價(jià)值越大。但是木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣這幾種組分中,纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在生長(zhǎng)過程中是緊密交織、鑲嵌在一起的。因此,若要加以利用,發(fā)揮天然纖維的復(fù)合效果,首先要進(jìn)行預(yù)處理。利用機(jī)械及化學(xué)作用把植物的組織部分打碎和分解,將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素這三大組分盡可能多地同時(shí)利用,保證絕大多數(shù)資源不被浪費(fèi),同時(shí)還應(yīng)減少?gòu)U水排出,降低對(duì)環(huán)境的污染。此外,稻糠和稻草表皮還富集大量的SiO2,不利于復(fù)合材料的成型,也應(yīng)除去。纖維揉搓是盡可能地利用物理方法進(jìn)行搓揉加工,梳理出長(zhǎng)短、粗細(xì)不同的纖維,提高長(zhǎng)徑比,通過該方法處理可以將該類天然纖維制成長(zhǎng)度控制在1 mm以內(nèi)、長(zhǎng)徑比超過5的有機(jī)纖維。

      纖維素的主要成分是高分子葡聚糖,天然纖維表面存在大量的羥基,羥基具有強(qiáng)親水性,而常用的高分子樹脂一般均為親油性。因此要提高天然纖維與樹脂基體的表面相互作用,必須采用改性的方法。也就是封閉天然纖維表面的羥基,將其從親水性改為親油性,做到與樹脂的相容。

      4種不同的HDPE/天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度相近(表1)。其中采用稻草纖維和稻糠纖維制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能稍低,這可能與兩種天然纖維中纖維素含量稍低,同時(shí)其纖維的長(zhǎng)徑比也較低、剛性小有關(guān);采用這兩種纖維所得的復(fù)合材料的沖擊韌性均在4~6 kJ/m2,拉伸強(qiáng)度18~27 MPa,其中以木粉復(fù)合材料力學(xué)性能最高,甘蔗渣復(fù)合材料次之,稻草和稻糠復(fù)合材料稍差。4種HDPE/天然纖維復(fù)合材料的熱變形溫度均有顯著的提高,并且以稻糠復(fù)合材料提高得最為顯著,較稻草纖維高出6.5 ℃。

      4種不同的PP/天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度也較相近(表2),且其變化趨勢(shì)與HDPE/天然纖維復(fù)合材料相似。PP基復(fù)合材料與HDPE基復(fù)合材料都具備密度低、拉伸強(qiáng)度高、彎曲強(qiáng)度大、力學(xué)性能好的特點(diǎn),是以塑代木的良好備選材料。但是HDPE基復(fù)合材料熱變形溫度在100 ℃左右,對(duì)耐熱環(huán)境應(yīng)用不利,而PP基復(fù)合材料熱變形溫度高于125 ℃,能適用于室內(nèi)外絕大多數(shù)環(huán)境。HDPE基復(fù)合材料比較柔軟,室溫及低溫沖擊強(qiáng)度均較PP基復(fù)合材料大,作為代木材料使用時(shí)適用于易受沖擊的環(huán)境。

      2.2相差分析

      由圖1中的相差照片可以看出,在4種不同的HDPE/天然纖維復(fù)合材料中,纖維形態(tài)都保留良好,表面的纖維和樹脂分布較均勻,這說明表面改性劑的存在,有利于纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的充分浸潤(rùn)粘合,增強(qiáng)了天然纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的黏結(jié)性,從而提高了材料的力學(xué)性能。天然纖維改性以后,界面黏結(jié)性得到了提高,改善了天然纖維在樹脂基體中的分散狀態(tài)[7,8]。同時(shí),纖維的長(zhǎng)徑比較大,互相容易纏繞,這種分散結(jié)構(gòu)也有利于應(yīng)力在復(fù)合材料中的傳遞。

      還可以在圖1a中發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中分散的稻草纖維較其他幾種纖維稍粗大且直徑不太均勻,圖1c中發(fā)現(xiàn)分散的稻糠纖維較其他幾種纖維的長(zhǎng)徑比稍小。這種不均勻性可能是這兩類天然纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能稍低于木粉纖維的一個(gè)原因。

      3結(jié)論

      采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣4種不同的天然纖維先進(jìn)行預(yù)處理,再與HDPE、PP復(fù)合的方法,成功地制備出聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料。

      4種不同的HDPE/天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度相近,以木粉填充復(fù)合材料力學(xué)性能最高,甘蔗渣填充復(fù)合材料次之,稻草纖維和稻糠纖維稍差,而稻糠纖維復(fù)合材料具備最高的熱變形溫度。PP/天然纖維復(fù)合材料與HDPE/天然纖維復(fù)合材料有相似的變化規(guī)律。

      通過相差分析發(fā)現(xiàn),在天然纖維制備的復(fù)合材料中,纖維和樹脂分布均勻,這表明表面改性劑的存在,有利于纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的充分浸潤(rùn)粘合。而稻糠纖維與稻草纖維的質(zhì)量稍次于木粉纖維與甘蔗渣纖維。

      參考文獻(xiàn):

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