再生PET原位成纖增強PP木塑復合材料的研究*

向 帥，何 慧，莫 輝

（華南理工大學材料學院，廣東廣州 510641）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，自然資源被消耗的越來越快，整個自然環(huán)境遭受了嚴峻的考驗，而森林資源是眾多自然資源中受到威脅最嚴重的，因為它與整個人類生活的環(huán)境以及人們的日產(chǎn)生活的各個方面有著緊密聯(lián)系。木塑復合材料（WPC）綜合了木材和高分子材料的眾多優(yōu)點，可在很多領域代替木材的使用，是一種新型的環(huán)保材料，已越來越受到社會各界的重視[1-2]。但受材料本身以及加工設備的影響，木塑復合材料的剛性還有待進一步提高。纖維增強改性是改善復合材料力學性能的常用方法，添加纖維可以大幅度提高復合材料的力學性能，但在復合材料中直接添加纖維易造成纖維分散不均、復合材料力學性能較差、對加工設備磨損較大等問題。原位成纖技術是采用拉伸、牽引作用使分散于基體樹脂中容易形成纖維的聚合物通過取向、變形原位形成微纖化的手段，由于材料中的纖維不用預先制備，且聚合物纖維在加工過程中對設備磨耗較小，因此原位成纖技術近年來在制備高性能合金材料中得到發(fā)展[3-5]。將聚酯纖維用于木塑復合材料中以提高WPC 的力學性能，是近年來木塑材料領域的一個研究方向[6]。本論文采用原位成纖技術，研究在木塑復合材料中加入含有再生聚酯（r-PET）纖維的母料，分析聚酯母料的加入對聚丙烯（PP）木塑復合材料結構與性能的影響。

1 實試驗部分

1.1 試驗原料

PP：牌號T30S，中石化廣東茂名石化分公司；r-PET（再生PET）：市售，東莞拓展實業(yè)有限公司； 抗氧劑1010：市售；桉木粉：80 目。

1.2 樣品制備

將r-PET 在110℃下干燥4h，按照配方將原料稱量后共混，將混合物置于雙螺桿擠出機中熔融共混，擠出機各段溫度控制在255℃左右，螺桿轉速控制在80r/min，采用兩種不同的加工方式制取聚酯母料：（1）共混物熔融擠出——擠出造?！稍铮玫侥噶?#；（2）共混物熔融擠出——熱拉伸——壓延制膜——淬冷——破碎——干燥，得到母料2#（工藝如圖1 所示）。然后將兩種不同的母料與干燥后的木粉、PP 在180℃下熔融開煉5min，然后再硫化機下熱壓5min，最后冷壓定型后按照標準裁制成標準復合材料樣條（工藝如圖2 所示）。

圖1 兩種聚酯母料的制備工藝圖 Fig.1 The process routing of two master batches

圖2 復合材料的制備工藝圖 Fig.2 The process routing of the composite material

1.3 測試與表征

拉伸試驗按GB/T 1040-1992 標準在室溫下測試，測試速度為20mm/min，采用I 型試樣；彎曲強度和模量按GB/T 9341-2000 標準在室溫下測試，測試速度為20mm/min；缺口沖擊試驗按照ASTM D256 進行測試。

采用HITACHI 公司的場發(fā)射掃描電子顯微鏡S-4300 對復合材料沖擊斷面直接進行察；刻蝕形貌采用熱的二甲苯將樣品沖擊斷面表面刻蝕9min～10min，并送入真空干燥箱抽真空，然后在50℃下干燥4h 后進行表面觀察。

采用熔融指數(shù)儀7201 對復合材料的熔體流動速率進行測試，測試條件：加熱溫度為230℃，載荷為2.16kg。

采用維卡軟化點試驗儀HDT 3VICAT 按GB/T 1633-2000 對復合材料的維卡軟化點進行測試，測試條件：載荷為49.05N，升溫速率為120℃/h，液體傳熱介質(zhì)為硅油。

2 結果與討論

2.1 PP/r-PET/WF 復合材料的力學性能

采用不同加工工藝得到三種PP/r-PET/WF 復合材料，其力學性能隨著r-PET 加入量不同的變化趨勢如圖3 所示。曲線a 代表直接添加r-PET 所制備的木塑復合材料，曲線b 代表添加未經(jīng)微纖化母料1#所制備的木塑復合材料，曲線c 代表添加經(jīng)微纖化母料2#所制備的木塑復合材料。從圖中可知，采用不同的加工方式，r-PET 對材料的力學性能的影響不一樣，其中拉伸強度、彎曲強度、彎曲模量和無缺口沖擊強度從優(yōu)到差的次序分別是：2#母料＞1#母料＞直接添加r-PET；并且從曲線c 中可以看出，采用原位成纖技術，隨著r-PET 含量的增加，復合材料的拉伸強度和沖擊強度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，彎曲強度和彎曲模量則逐漸增加，其中當r-PET 含量為質(zhì)量分數(shù)8%時，復合材料的綜合力學性能最優(yōu)。

圖3 r-PET 含量對復合材料的力學性能的影響 Fig 3 Effect of r-PET content on mechanical properties of composites

不同加工工藝制得的PP/r-PET/WF 復合材料力學性能的差異是由于三種不同復合材料中r-PET 以不同的形態(tài)分布在基體材料中。將聚酯纖維直接加入到PP 基木塑復合材料中，由于PP 與PET 是不相容的兩種聚合物，簡單的共混，不僅不能起到增強的作用，反而會大幅降低材料的力學性能；采用母料法在一定程度上可改善樹脂與植物纖維的分散作用，但只有當聚酯纖維以微纖結構存在時，才有利于復合材料力學性能的提高。

2.2 PP/r-PET/WF 復合材料的形貌結構

2.1.2 未經(jīng)刻蝕復合材料沖擊斷面的SEM 圖

采用SEM 直接觀察復合材料的沖擊斷面，對比了采用兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復合材料中分散相的微觀形態(tài)。從圖4 可知，采用母料技術制備的PP 木塑復合材料中聚酯纖維的分散都較為均勻，兩種不同的母料方法制備的復合材料中r-PET 的微觀形態(tài)完全不一樣，與加有1#母料的復合材料相比，加入2#母料的復合體系的沖擊斷面具有明顯的取向結構，隨著聚酯用量的增加，這種取向的纖維進一步增多。

圖4 未經(jīng)刻蝕的PP/r-PET/WF 復合材料的SEM 圖 Fig.4 SEM morphology of PP/r-PET/WF composites without corrosion

2.2.2 經(jīng)二甲苯刻蝕復合材料沖擊斷面SEM 圖

為了進一步觀察r-PET 在復合材料中的取向以及分布狀況，將兩種不同的復合材料的沖擊斷面在沸騰的二甲苯中進行刻蝕處理。

從圖5 可以看出，直接擠出得到的母料，并不能在復合體系形成微纖結構，r-PET 以球狀或橢球狀分布在復合材料中。經(jīng)過原位成纖處理后，從刻蝕過的電鏡照片可以清楚的看到r-PET 的微纖結構，纖維在三元復合體系中具有良好取向，并且隨著r-PET 質(zhì)量分數(shù)的增加，聚酯纖維的微纖化結構更為明顯，且分散均勻。

圖5 經(jīng)刻蝕的PP/r-PET/WF 復合材料的SEM 圖 Fig.5 SEM morphology of PP/r-PET/WF composites with corrosion

2.3 PP/r-PET/WF 復合材料的耐熱性和加工性

對比了兩種母料法制備的復合材料的維卡軟化溫度，如表1 所示，復合材料的維卡軟化點隨著r-PET 加入量的增加而增大，且2#母料的加入更加有利于復合材料維卡軟化點的提高。

表1 兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復合材料 的維卡軟化點 Tab.1 The Vicat temperature of PP/r-PET/WF composites

表2 是兩種不同母料法制備的PPS/r-PET/WF復合材料的熔體流動速率（MFR），從表中可以看出，由于2#母料中，聚酯纖維有更好的纖維取向性，纖維的取向?qū)秃喜牧系牧鲃有杂幸欢ㄓ绊?，?#母料體系的MFR 大于2#母料體系。

表2 兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復合材料的MFR Tab.2 The Melt Flow Rate of PP/r-PET/WF composites

3 結論

(1)采用三種不同方法制備PP/rPET/WF 復合材料，添加經(jīng)微纖化母料2#制備的PP 木塑復合材料的綜合力學性能優(yōu)于添加未經(jīng)原位微纖化母料1#的復合材料，而直接添加r-PET 的復合材料的性能最差，當r-PET 的質(zhì)量分數(shù)為8%時，木塑復合材料的力學性能最優(yōu)。

(2)不同加工工藝制備的PP/r-PET/WF 復合材料中r-PET 的微觀結構不一同：采用母料工藝技術，可使聚酯纖維在PP 木塑復合材料中分散良好，采用原位成纖法制備的母料可使r-PET 以較為明顯的微纖結構存在于復合體系中，且具有良好取向；未經(jīng)原位微纖化的母料則使r-PET 呈現(xiàn)出球狀或橢球狀分散于復合體系中。

(3)與1#母料相比，2#母料的加入更加有利于PP/r-PET/WF 復合材料維卡軟化點的提高，但對復合材料的熔體流動速率有所影響。

[1]馬麗. 植物纖維/ABS 木塑復合材料的結構與性能的研究[D]. 廣州：華南理工大學，2012.

[2]劉濤，何慧，洪浩群，等. 木塑復合材料研究進展[J]. 2008，41（2）：38-41.

[3]李忠明，楊偉，黃銳，等. PET/PE 原位微纖化共混物的形態(tài)與性能[J]. 材料研究學報，2003，17（6）：622-627.

[4]黎學東，陳鳴才，黃玉惠，等. PP/PET 原位成纖復合材料加工條件對性能的影響[J]. 復合材料學報，1998，l5(2)：62-67.

[5]O Sato，Y Masuda，N Hiyoshi，et al.Chemical Recyeling Process of Poly(EthyleneTerePhthalate) in High-Temperature Water[J]. Chemical Engineering，2010，43（3）：313-317.

[6]龔麗. 回收聚酯在木塑復合材料中的應用[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學，2011.