原位增容HDPE/木纖維復(fù)合材料研究

羅衛(wèi)華，王正良，陶偉康，劉星星，龍重香

原位增容HDPE/木纖維復(fù)合材料研究

羅衛(wèi)華，王正良，陶偉康，劉星星，龍重香

(中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長沙 410004)

通過反應(yīng)擠出的方法制備原位增容HDPE/木纖維(WF)復(fù)合材料，研究馬來酸酐(MA)和苯乙烯(St)用量對復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:隨著MA用量的增加，原位增容HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊和拉伸性能先增加后減小，當(dāng)MA用量為1.5 phr時達到最大值，與無增容的HDPE/WF復(fù)合材料相比，最大分別提高了143%和45%；St的用量對HDPE/WF復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出相似的影響規(guī)律，當(dāng)St與MA的摩爾比為1.5:1時，HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊和拉伸強度與沒有添加St的復(fù)合材料相比分別增加了112%和39%;掃描電子顯微鏡(SEM)分析顯示，原位增容HDPE/WF復(fù)合材料的界面粘合與無增容復(fù)合材料的相比有明顯改善。

HDPE；木纖維；復(fù)合材料；原位增容

木塑復(fù)合材料兼?zhèn)渌芰虾湍静膬烧叩膬?yōu)良性能，可以在許多場合替代塑料和木材，這對建設(shè)資源節(jié)約型社會具有重要意義。但是由于木纖維表面含有大量的羥基基團，其強烈的親水極性會吸附環(huán)境中的水分和其它雜質(zhì)如灰塵等，從而在木塑復(fù)合時形成木材表面與塑料的弱邊界層，降低復(fù)合材料的界面結(jié)合力。同時，大量的羥基在木材纖維表面形成分子間氫鍵，使木材不易于在非極性聚合物基體中分散。因此，如何提高木塑復(fù)合材料中木纖維組分與聚合物基體的界面結(jié)合力成為木塑復(fù)合材料研究的關(guān)鍵。目前工業(yè)生產(chǎn)上主要采取的方法有對木纖維的處理或改性[1-6]、對樹脂基體的處理或改性[7-10]、加入增容劑等[11-16]，這些方法在一定程度上改善了木纖維和樹脂基體的相容性，但效果仍不盡人意，而且額外的處理改性過程也帶來生產(chǎn)成本的增加。

本文中通過反應(yīng)擠出的方法制備HDPE/木纖維復(fù)合材料，探索實現(xiàn)原位增容的可能性與效果，研究了馬來酸酐和苯乙烯用量對復(fù)合材料的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

高密度聚乙烯 (HDPE)：5000S，上海賽科石油化工有限責(zé)任公司；馬來酸酐 (MA)：分析純，天津市博迪化工有限公司；過氧化二異丙苯(DCP)：分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；苯乙烯 (St)：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；無水乙醇：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；丙酮：分析純，衡陽凱信化工試劑有限公司；HDPE-g-MA(MAPE)：自制；木纖維 (WF)：80目，校辦家具廠。

1.2 反應(yīng)增容HDPE/WF復(fù)合材料的制備

將WF用80目的篩網(wǎng)過篩，再在70 ℃下的鼓風(fēng)干燥箱中干燥6 h，備用。配制DCP的無水乙醇溶液和馬來酸酐丙酮溶液，按一定配比與HDPE均勻混合5 min，敞開靜置24 h。然后將混合好的HDPE倒入高速混合機中，加入St，混合3 min，再加入干燥過的木纖維，混合5 min。

將混合好的物料加入雙螺桿擠出機中，擠出造粒，擠出機各段溫度設(shè)為170， 195， 195，190， 190， 190 ℃。所得粒料放入80℃烘箱中，干燥12 h。將干燥好的粒料加入注射機中注射標(biāo)準(zhǔn)樣條。注射機各段溫度設(shè)置為170， 200，200， 200 ℃。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 拉伸強度測試

在LLF型萬能材料試驗機(濟南碩通電子)上進行，拉伸速率為20 mm/min。

1.3.2 沖擊強度測試

采用簡支梁沖擊實驗機(承德實驗儀器廠)測定復(fù)合材料的沖擊性能。

1.3.3 吸水率測試

將樣條放入真空干燥箱內(nèi)，在80 ℃下干燥24 h，取出稱質(zhì)量；再將干燥好的樣條放入水中，室溫下浸泡24 h，取出用濾紙擦干樣條表面的水分，稱質(zhì)量，計算吸水率。

1.3.4 電鏡掃描測試

將沖擊樣條斷面鍍金后用JSM5600 LV型掃描電子顯微鏡(日本)觀測斷面微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖1給出了MA用量對原位增容HDPE/WF復(fù)合材料沖擊性能的影響。由圖1可知，隨著MA用量的增加，沖擊性能先增加后下降，在MA用量為1.5份時，復(fù)合材料的沖擊性能達到最大值，與沒有增容的HDPE/WF復(fù)合材料相比，增加了143%；MA用量對HDPE/WF復(fù)合材料拉伸性能表現(xiàn)出相似的影響規(guī)律，復(fù)合材料的拉伸強度在MA用量為1.5份時到達最大值，與無增容的HDPE/WF復(fù)合材料相比，增加了45%。這是因為在復(fù)合材料的擠出加工中原位生成了HDPE-g-MA，改善了木纖維與HDPE的相容性，二者之間的界面黏合力提高，使HDPE/WF復(fù)合材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出較大幅度的增加。隨著MA用量繼續(xù)增加，沖擊強度和拉伸強度皆有所下降。這是由于MA的用量過大時，有部分MA沒有參與接枝反應(yīng)，這些沒有參與反應(yīng)的MA作為低分子量的雜質(zhì)存在于復(fù)合材料中，使復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。

圖1 MA用量對HDPE/WF(70/30)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig. 1 Influence of MA content on mechanical properties of HDPE/WF (70/30) composites

St用量對HDPE/WF復(fù)合材料沖擊性能的影響如圖2所示。隨著St用量的增加，HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊和拉伸性能皆有一個先升后降的趨勢。與沒有添加St的HDPE/WF復(fù)合材料相比，當(dāng)St與MA的摩爾比為1.5∶1時，HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊和拉伸強度分別增加了112%和39%。這是因為St與MA配合使用時能夠促進MA與HDPE的接枝反應(yīng)[17-18]，提高MA在HDPE上的接枝率，使原位生成的HDPE-g-MA具有更好的增容效應(yīng)，宏觀上表現(xiàn)出HDPE/WF復(fù)合材料的力學(xué)性能上升。但St用量繼續(xù)增加時，過量的St會由于均聚反應(yīng)而消耗自由基，使MA在HDPE上的接枝率下降，另外均聚反應(yīng)生成的PS與HDPE相容性較差，兩者都導(dǎo)致HDPE/WF復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

圖2 St用量對HDPE/WF(70/30)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig. 2 Influence of St content on mechanical properties of HDPE/WF (70/30) composites

由圖1和圖2的實驗結(jié)果表明，反應(yīng)擠出原位增容的方法制備HDPE/WF復(fù)合材料，對復(fù)合材料力學(xué)性能有較大幅度的提高。為了將其與工業(yè)上常采用的添加增容劑的方法進行比較，在保證與原位增容方法相同MA含量的條件下制備了MAPE和HDPE/MAPE/WF復(fù)合材料。表1給出了純HDPE、無增容HDEP/WF復(fù)合材料、添加增容劑型HDEP/MAPP/WF復(fù)合材料和原位增容HDEP/WF復(fù)合材料的性能測試結(jié)果。由表1可見，在不加增容劑的情況下，HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊強度較差；加入相容劑MAPE后，HDPE/WF復(fù)合材料的沖擊和拉伸性能皆有較大幅度的提高，這是因為MAPE能很好地改善HDPE與木纖維的界面相容性。與原位增容方法制備的HDPE/WF復(fù)合材料相比，添加增容劑型HDEP/MAPP/WF復(fù)合材料的性能無明顯優(yōu)勢，但后者成本較前者高，所以反應(yīng)擠出原位增容的方法制備HDPE/WF復(fù)合材料具有性價比方面的優(yōu)勢。

表1 HDPE 和 HDPE/WF復(fù)合材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of HDPE and HDPE/WF composites

2.2 復(fù)合材料的耐水性能

表2給出了不同MA和St用量條件下制備的HDPE/WF復(fù)合材料的吸水率結(jié)果。由表2可知，HDPE/WF復(fù)合材料有一定的吸水性，但吸水率都不高，在0.1%左右。這是因為HDPE/WF復(fù)合材料中的WF是一種強極性材料，有一定的吸水性，而基體材料HDPE是非極性聚合物，具有強烈的疏水性能，WF被HDPE包覆在內(nèi)，所以復(fù)合材料的吸水率都不高，具有較好的耐水性能。與無增容的HDPE/WF復(fù)合材料相比，原位增容制備的HDPE/WF復(fù)合材料吸水率有所下降，但下降的幅度不大。這是因為原位生成的增容劑雖然能改善WF和HDPE的界面粘合，從而提高復(fù)合材料的耐水性能，但由于生成的增容劑本身含有極性基團，具有一定的親水性，所以增容復(fù)合材料總體上耐水性能沒有顯著改善。

表2 原位增容HDPE/WF復(fù)合材料的吸水率Table 2 Water uptake of in-situ compatibilized HDPE/WF composites

2.3 微觀形態(tài)

圖3是無增容和原位增容HDPE/WF復(fù)合材料樣條沖擊斷面的掃描電鏡照片。由圖3(a)可見，復(fù)合材料斷面有許多纖維被拔出而留下的孔洞，這說明無增容HDPE/WF復(fù)合材料的WF和HDPE的相容性差，界面粘接不好，當(dāng)樣品受到?jīng)_擊時，木纖維從基體中被拔出而留下孔洞。而圖3(b)中孔洞很少，說明對于原位增容HDPE/WF復(fù)合材料，WF和HDPE的相容性較好，界面粘結(jié)力較強，當(dāng)樣品受到?jīng)_擊時，木纖維不容易從基體中被拔出，因而能夠吸收更多的沖擊能量，這在宏觀上表現(xiàn)為復(fù)合材料的沖擊強度得到大幅度的提高。

圖3 無增容和原位增容HDPE/WF復(fù)合材料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 3 SEM photos of HDPE/WF composite without compatibilization (a) and in-situ compatibilized HDPE/WF composite (b)

3 結(jié) 論

通過反應(yīng)擠出的方法制備HDPE/WF復(fù)合材料，實現(xiàn)了對復(fù)合材料的原位增容。所得原位增容HDPE/WF復(fù)合材料，與無增容的HDPE/WF復(fù)合材料相比，其沖擊和拉伸性能皆有顯著提高，最大分別提高了143%和45%。從微觀結(jié)構(gòu)看，原位增容HDPE/WF復(fù)合材料的界面粘接有明顯改善。與工業(yè)上常采用的添加增容劑方法比較，反應(yīng)擠出原位增容的方法制備HDPE/WF復(fù)合材料可較大降低生產(chǎn)成本，具有推廣應(yīng)用價值。

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In-situ compatibilization of HDPE/wood fiber composites

LUO Wei-hua, WANG Zheng-liang, TAO Wei-kang, LIU Xing-xing, LONG Zhong-xiang
(School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In-situ compatibilized HDPE/wood fibre (WF) composites were prepared by reactive extrusion. Effects of maleic anhydride(MA) and styrene (St) on mechanical properties and microstructure of HDPE/WF composites were investigated. The results show that the tensile and impact strength of in-situ compatibilized HDPE/WF composites first increased then decreased with the content of MA increased, and reached the maximum when the content of MA was 1.5 phr, showing an increase of 143% and 45% respectively compared with those of the composite without compatibilization. St exhibited a similar trend of influence on mechanical properties of the HDPE/WF composite. When the molar ration of St to MA was 1.5 : 1, the tensile and impact strength of the HDPE/WF composite increased by 112% and 39% respectively in comparison with those of the composite without the addition of St. The scanning electron microscopy(SEM) results show that the in-situ compatibilized HDPE/WF composite has an enhanced interfacial adhesion.

HDPE; wood fiber; composites; in-situ compatibilization

S781.7 ；TQ327.8

A

1673-923X(2012)01-0122-04

2011-10-19

湖南省自然科學(xué)基金項目(09JJ6076)；湖南省科技計劃項目(2010FJ6006)；國家林業(yè)局948項目(2009-4-51)；湖南省教育廳高校產(chǎn)業(yè)化培育項目(11cy027)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點學(xué)科資助項目

羅衛(wèi)華(1968—)，男，湖南炎陵人，副教授，博士，主要從事環(huán)境友好高分子材料研究；E-mail: lwh6803@163.com

[本文編校：謝榮秀]