玉米秸稈粉體/聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能1)

劉飛虹 韓廣萍 程萬里

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

玉米秸稈粉體/聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能1)

劉飛虹 韓廣萍 程萬里

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

研究利用玉米秸稈粉體作為增強(qiáng)材料與聚乙烯(PE)通過擠出成型制備玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的可行性，并考查了玉米秸稈粉體添加量及其尺寸對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨玉米秸稈粉體添加量的增加，玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量呈先升后降趨勢，彎曲模量逐漸增大，沖擊強(qiáng)度則逐漸減??；當(dāng)玉米秸稈粉體添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。此外，玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的力學(xué)性能隨玉米秸稈粉體長徑比的增大而增強(qiáng)；在考查范圍內(nèi)，添加40目

玉米秸稈；高密度聚乙烯；復(fù)合材料；力學(xué)性能

We studied the feasibility of corn stalk fibers as the reinforcement of corn stalk fiber (CSF)-polyethylene (PE) composites, and investigated the effects of fiber addition and fiber size on mechanical properties of resultant composites. The tensile strength and tensile modulus presented a trend of first increase and then decrease. The flexural modulus increased slightly with the increasing of CSF application content, while the impact strength decreased obviously. The comprehensive mechanical property of CSF-PE composites reached the best level at CSF content of 50%. With the increasing of aspect ratio of CSF, the mechanical performance of resultant composites was enhanced. The composites had the best mechanical strength when the aspect ratio of corn stalk fiber was 40-60 mesh. By the scanning electron microscopy, the composites containing 20-40 mesh corn stalk fiber had the worst fracture morphology due to non-uniform fiber distribution, while the fracture surface of composites made of 40-60 mesh corn stalk fiber was the best.

我國秸稈資源豐富，近年來，利用農(nóng)業(yè)剩余物或廢棄物(如谷類作物秸稈、稻殼、椰殼、甘蔗皮、花生殼、麻類桿徑等)與塑料制備復(fù)合材料得到了國內(nèi)外相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注[1-5]。農(nóng)業(yè)剩余物的充分利用可以有效緩解因木材資源匱乏帶來的壓力，符合當(dāng)今社會(huì)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型這一全球號(hào)召。在利用植物纖維增強(qiáng)材料方面，既往研究涉及到的植物纖維主要有黃麻[6]、苧麻[7]、亞麻[8]等麻類材料，麥殼[9]、麥秸[10]、椰殼[11]等。而在我國北方，玉米秸稈是主要的農(nóng)副產(chǎn)物。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式中，大部分玉米秸稈被廢棄或以不合理的方式(如燃燒)處理，這不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，也是生物質(zhì)資源的巨大浪費(fèi)。因此開發(fā)利用玉米秸稈資源，將其作為增強(qiáng)材料制備復(fù)合材料不僅是解決秸稈處理問題的有效途徑之一，也將對(duì)發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

目前，國內(nèi)外有關(guān)利用玉米秸稈粉體增強(qiáng)塑料的研究報(bào)道鮮見，缺乏系統(tǒng)研究。本研究結(jié)合相關(guān)研究現(xiàn)狀以及我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，擬將探討應(yīng)用擠出法制備玉米秸稈粉體/聚乙烯(PE)復(fù)合材料的可行性，并重點(diǎn)研究了玉米秸稈粉體的添加量及其形態(tài)尺寸對(duì)玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料及儀器設(shè)備

PE購于哈爾濱聯(lián)發(fā)化工廠，其密度和熔融指數(shù)分別為0.948 g/cm3和0.5 g/min；玉米秸稈收集于哈爾濱市郊區(qū)；馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)采購于廣州柏晨有限公司；工業(yè)石蠟為市購。

60型木纖維粉碎機(jī)，徐州富陽能源科技有限公司；SHR-10A高速混合機(jī)，張家港市通河橡塑機(jī)械有限公司；SJSH30/SJ45型雙階塑料擠出機(jī)組，南京橡塑機(jī)械廠；RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，深圳REGER儀器有限公司；XJ-50G組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，河北承德力學(xué)試驗(yàn)機(jī)有限公司；GE-5高清數(shù)碼顯微鏡，上海長方光學(xué)儀器有限公司；G-9625A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

1.2 復(fù)合材料的制備

1.2.1 不同添加量玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料制備

將去除葉及瓤的玉米秸稈，經(jīng)60型木纖維粉碎機(jī)設(shè)備粉碎加工，并篩分為20目100目的5種不同粒徑的纖維，并置于恒溫干燥箱中，在(103±2)℃條件下干燥至含水率低于3%。將PE、玉米秸稈粉體、MAPE和石蠟按一定配比(見表1)放入高速混合機(jī)中混合均勻，然后置于單螺桿擠出機(jī)中造粒，雙螺桿擠出機(jī)擠出成型，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鋸成一定尺寸的試件備用。

單螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)定：1區(qū)140 ℃、2區(qū)140 ℃、3區(qū)151 ℃、4區(qū)155 ℃、機(jī)頭150 ℃。

雙螺桿擠出機(jī)溫度設(shè)定：1區(qū)145 ℃、2區(qū)150 ℃、3區(qū)155 ℃、4區(qū)150 ℃、5區(qū)165 ℃、6區(qū)165 ℃、7區(qū)165 ℃、8區(qū)165 ℃。

表1 玉米秸稈粉體添加量實(shí)驗(yàn)配比

1.2.2 不同尺寸形態(tài)玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料制備

玉米秸稈粉體添加水平選取50%，偶聯(lián)劑及潤滑劑添加量見表1，玉米秸稈粉體不同尺寸形態(tài)如表2所示。復(fù)合材料制備方法同1.2.1。

表2 玉米秸稈粉體尺寸

1.3 力學(xué)性能測試

拉伸性能：參照GB/T 1447—2005標(biāo)準(zhǔn)測試，測試過程中力的加載速度為5 mm/min。測試結(jié)果為7個(gè)試樣的算數(shù)平均值。

彎曲性能：參照GB/T 1449—2005標(biāo)準(zhǔn)測試，測試儀器為RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測試中力的加載速度為2 m/mm。測試結(jié)果為7個(gè)試樣的算數(shù)平均值。

沖擊性能：無缺口沖擊強(qiáng)度測試，簡支梁擺錘沖擊試驗(yàn)參照GB/T 21189—2007標(biāo)準(zhǔn)測試，測試儀器為XJ-50G組合式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，沖擊速度為2.9 m/s，擺錘能量為2 J。測試結(jié)果為12個(gè)試樣的算數(shù)平均值。

1.4 微觀形貌

采用美國FEI公司QuanTa200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(SEM)觀察復(fù)合材料的微觀形貌，將材料放在液氮中脆斷后，鋸切成規(guī)定尺寸并固定在試驗(yàn)臺(tái)上，噴金鍍膜后進(jìn)行電鏡觀察，放大倍率為100～1 000倍不等。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈粉體添加量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.1.1 對(duì)拉伸性能的影響

材料的力學(xué)性能決定了其使用范圍，因此確定其力學(xué)性能至關(guān)重要。玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的力學(xué)性能見表3。結(jié)果表明，隨玉米秸稈粉體添加量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小。玉米秸稈粉體的添加量為50%時(shí)拉伸強(qiáng)度最大，可達(dá)33 MPa；而玉米秸稈粉體的添加量為70%時(shí)最小，為28 MPa。玉米秸稈粉體作為增強(qiáng)材料加入到塑料基體中，在一定比例范圍內(nèi)能夠有效增強(qiáng)基體，而隨著玉米秸稈粉體添加量的不斷增大，由于其不能在塑料基體中均勻分散，秸稈之間出現(xiàn)纏結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象，且玉米秸稈粉體與塑料基體之間的界面結(jié)合變?nèi)酰瑢?dǎo)致應(yīng)力集中，從而影響復(fù)合材料的拉伸性能。拉伸彈性模量隨玉米秸稈粉體添加量變化趨勢與拉伸強(qiáng)度變化趨勢類似，不同的是拉伸彈性模量最大值出現(xiàn)在玉米秸稈粉體添加量為60%時(shí)，約為540 MPa；當(dāng)秸稈粉體填加量為30%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸彈性模量最小。

表3 不同添加量玉米秸稈粉體復(fù)合材料的力學(xué)性能

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1.2 對(duì)彎曲性能的影響

由表3可以看出復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度并未隨玉米秸稈粉體添加量增加而呈現(xiàn)遞增的趨勢，添加量由30%增至70%，其最大和最小彎曲強(qiáng)度相差不足8%。材料的彎曲模量隨著玉米秸稈粉體添加量增加而呈現(xiàn)明顯的遞增趨勢，當(dāng)秸稈纖維添加量為30%時(shí)，彎曲模量為1.9 GPa；而當(dāng)玉米秸稈粉體添加量增加到70%時(shí)，彎曲模量達(dá)到了4.22 GPa，增大了122%。彎曲模量的增大恰好說明了復(fù)合材料的剛度隨玉米秸稈粉體的加入而增大。

2.1.3 對(duì)沖擊性能的影響

相對(duì)于塑料基體而言，由于玉米秸稈粉體是一種剛性的填料，塑料基體中添加秸稈粉體主要增強(qiáng)的是復(fù)合材料的剛性，因此復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度會(huì)因玉米秸稈粉體添加量的增加而降低。表3表明隨著玉米秸稈粉體添加量的增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度明顯變低，當(dāng)玉米秸稈粉體的添加量為30%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度為24 kJ/m2；而當(dāng)玉米秸稈粉體的添加量增加到70%時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降了近4倍。

從上述力學(xué)性能的測試結(jié)果可以看出，玉米秸稈粉體添加量的增加對(duì)玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生的影響并不十分明顯，而對(duì)復(fù)合材料的彎曲模量和沖擊強(qiáng)度的影響較為明顯。這是因?yàn)橛衩捉斩挿垠w與木纖維類似，均屬于剛度比較大的材料，而PE作為一種熱塑性材料，是一種柔性材料，隨著玉米秸稈粉體添加量的增多，復(fù)合材料的剛性必然會(huì)增大，沖擊強(qiáng)度的減小進(jìn)一步說明了復(fù)合材料剛性的增大。

2.2 玉米秸稈粉體不同尺寸對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2.1 對(duì)拉伸性能的影響

影響復(fù)合材料力學(xué)性能的因素有很多，其中纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料的纖維尺寸及幾何形態(tài)是重要因素之一，因此研究玉米秸稈粉體形態(tài)尺寸具有重要的意義。表4為玉米秸稈粉體尺寸對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，添加40目100目時(shí)最小，為21.58 MPa，相較最大值下降了34%左右。出現(xiàn)這種結(jié)果的可能原因是40目100目玉米秸稈粉體復(fù)合材料的彈性模量最小，僅為0.25 GPa。

表4 不同尺寸玉米秸稈粉體復(fù)合材料的力學(xué)性能

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2.2.2 對(duì)彎曲性能的影響

由表4可見添加40目100目的秸稈粉體復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最小，為37.08 MPa，相較最大值下降了29%左右。添加40目100目時(shí)，復(fù)合材料的彎曲模量減小到0.86 GPa。

2.2.3 對(duì)沖擊性能的影響

玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度與秸稈尺寸的關(guān)系如表4所示，秸稈尺寸對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響趨勢與對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響趨勢類似，即添加40目100目時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最小，相較最大值下降了17%左右。

綜合結(jié)果表明，添加40目

影響木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的因素很多，其中木質(zhì)纖維的長徑比是重要因素之一，纖維長徑比越大，其力學(xué)性能越好[12]；另外，增加纖維長度可以提高木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彈性模量[13]。在本研究中，40目100目玉米秸稈粉體長徑比分別為4.16、3.49和2.29，均小于40目100目玉米秸稈粉體的形態(tài)為粉狀，秸稈粉體的長度明顯小于前兩者。這也解釋了為什么添加40目

2.3 玉米秸稈粉體不同尺寸對(duì)復(fù)合材料形貌的影響

圖3是添加不同尺寸玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料在液氮下脆斷的SEM圖?？梢?，添加幾種不同尺寸玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料均存在不同程度纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料中，有部分秸稈纖維從塑料基體中脫拔而出的斷頭(如黑色箭頭所示)，并在基體中留下孔洞(如圓圈所示)，說明秸稈粉體能夠起到較大的增強(qiáng)作用。從斷面可以明顯的看出脫拔出的玉米秸稈粉體尺寸越來越小，進(jìn)一步說明了為什么添加h>60目玉米秸稈粉體后，復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸減小。此外將圖1a與圖1b—圖1e進(jìn)行對(duì)比，明顯可以看出添加20目

由于20目

圖1 秸稈尺寸形態(tài)對(duì)復(fù)合材料SEM圖

3 結(jié)論

應(yīng)用擠出法制備玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料方法可行，在一定工藝條件下，改變玉米纖維和PE的配比，能制造出性能優(yōu)異的玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料。

隨著玉米秸稈粉體添加量的增加，玉米秸稈粉體/PE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量先上升后下降，彎曲強(qiáng)度明顯無規(guī)律性變化，彎曲模量增大，沖擊強(qiáng)度減??；在研究范圍內(nèi)，當(dāng)玉米秸稈粉體的添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。

復(fù)合材料的力學(xué)性能隨玉米秸稈粉體長徑比的增大而增大，在研究范圍內(nèi)，添加40目

SEM研究表明：添加20目

[1] Gorokhovsky A V， EscalanteK-Garcia J I， Gashnikova G Yu， et al. Composite materials based on wastes of flat glass processing[J]. Waste Management，2005，25(7):733-736.

[2] Panthapulakkal S， Sain M. Agro-residue reinforced high-density polyethylene composites: fiber characterization and analysis of composite properties[J]. Composites： Part A，2007，38(6):1445-1454.

[3] Yao F， Wu Q， Lei Y， et al. Rice straw fiber-reinforced high-density polyethylene composite: Effect of fiber type and loading[J]. Industrial Crops and Products，2008，28(1):63-72.

[4] Wang Z， Wang E， Zhang S， et al. Effects of cross-linking on mechanical and physical properties of agricultural residues/recycled thermoplastics composites[J]. Industrial Crops and Products，2009，29(1): 133-138.

[5] Ashori A， Nourbakhsh A. Bio-based composites from waste agricultural residues [J]. Waste Management，2010，30(4):680-684.

[6] 劉曉燁， 戴干策.黃麻纖維氈表面處理及其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006，23(5):63-69.

[7] 王亞亮， 楊敏鴿，王俊勃，等.苧麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22(3):342-345.

[8] Zafeiropoulos Z E， Williams D R. Engineering and characterization of the interface in flax fiber/polypropylene composite materials[J]. Composites Part A: Development and Investigation of Surface Treatments，2002，33(22):1083-1093.

[9] Pradeep Upadhyaya， Manoj Garg. The effect of water absorption on mechanical properties of wood flour/wheat husk polypropylene hybrid composites[J]. Material Sciences and Applications，2012，13(10):317-325.

[10] Ayse Alemdar， Mohini Sain. Biocomposites from wheat straw nanofibers: morphology， thermal and mechanical properties[J]. Composites Science and Technology，2008，68(11):557-565.

[11] 李欣欣，普薩那，張偉，等.天然椰殼纖維及其增強(qiáng)復(fù)合材料[J].情報(bào)調(diào)研，1999，24(14):28-30.

[12] 王偉宏，宋永明，高華.木塑復(fù)合材料[M].北京：科學(xué)出版社，2010:73-74.

[13] Lee B J， McDonald A G， James B. Influence of Fiber Length on the Mechanical Properties of Wood-fiber/Polypropylene Prepreg Sheets[J]. Materials Research Innovations，2001，4(2/3):97-103.

Preparation and Properties of Corn Stalk Fiber-High Density Polyethylene Composites

Liu Feihong, Han Guangping, Cheng Wanli(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：119-122.

Corn stalk; Polyethylene; Composite; Mechanical properties

1) 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD32B04)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170529)。

劉飛虹，女，1988年3月生，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，碩士研究生。E-mail:804012646@qq.com。

韓廣萍，東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，教授。E-mail：guangpingh@hotmail.com。

2014年9月29日。

TU531.6

責(zé)任編輯：戴芳天。