聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料的制備與表征

張秀妹(廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東 廣州 510450)

聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料的制備與表征

張秀妹
(廣東白云學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 廣東 廣州 510450)

本文借助于同向雙螺桿擠出機(jī)制備聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料，研究木纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、熔體流動(dòng)速率等方面的影響，結(jié)果表明：隨著木纖維含量的增加拉伸強(qiáng)度上升，延伸率下降，沖擊強(qiáng)度下降，物料熔體流動(dòng)速率下降。

聚酰胺-6；木纖維；木纖維復(fù)合材料

1.引言

木纖維是農(nóng)林業(yè)上的副產(chǎn)品，包括桿莖類纖維（木、竹、莊稼秸稈等）、種子類纖維(棉、木棉、蒲絨等)、果實(shí)類纖維(椰殼、花生殼、稻殼等)、葉類蘆葦、茅草等)[1-2]。木纖維本身是一種天然高分子材料，具有密度低，降解性好的特點(diǎn)。我國(guó)目前對(duì)木纖維的利用率非常低，據(jù)估計(jì)每年有90%木纖維不能被利用[3]，廢棄木纖維的任意排放會(huì)造成農(nóng)村生活環(huán)境農(nóng)業(yè)水源的污染，影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)，危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，傳染疾病，焚燒處理更會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，利用木纖維與聚酰胺-6（PA-6）復(fù)合制成的木纖維復(fù)合材料(wood-plasties composites簡(jiǎn)稱WPC)則成了木材理想的替代材料，選用木纖維作為PA-6的增強(qiáng)相，進(jìn)行PA-6/木纖維復(fù)合材料的制備主要基于以下幾個(gè)原因：（1）木纖維比較廉價(jià)，易降解，而且密度??；（2）木纖維具有較高的剛度和強(qiáng)度，以及理想的長(zhǎng)徑比；（3）木纖維的多孔性，在一定的工藝條件下，塑料熔體會(huì)進(jìn)入細(xì)胞空腔中，從而像鉚釘一樣將纖維和基體連接起來。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)木纖維復(fù)合材料（WPC）作了大量研究，主要集中在木纖維的表面改性以及塑料與木纖維的界面改性上，而對(duì)竹粉、秸稈粉等木纖維增強(qiáng)PA-6的研究較少。本文借助于同向雙螺桿擠出機(jī)制備聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料，研究木纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、熔體流動(dòng)速率等方面的影響。

2.復(fù)合材料制備及性能測(cè)試方法

2.1 原料與設(shè)備

2.1.1原料 本實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)原料如表1所示

表1 實(shí)驗(yàn)原材料

2.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備 本課題所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 配方設(shè)計(jì)

配方的計(jì)量方法主要有質(zhì)量份數(shù)法、質(zhì)量百分比法及質(zhì)量比例法，本實(shí)驗(yàn)采用第一種，以配方中主體成分總量的加入量為100質(zhì)量份，組分以一定的比例搭配，具體配方如表3。

表3 實(shí)驗(yàn)配方

2.3 材料性能測(cè)試

2.3.1力學(xué)性能測(cè)試

2.3.1.1拉伸性能 樣條的拉伸性能測(cè)試，按GB/ T1040-1992國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件，在DNS300電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為50mm/min。獲取拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)率以及彈性模量的數(shù)據(jù)。取五次測(cè)試平均值進(jìn)行分析。

2.3.1.2沖擊性能 將測(cè)試樣條于室溫下XJJ-50沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，按GB/T13525-1992國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件。

2.3.2熔體流動(dòng)速率 本研究中，將粒料在室溫下加入熔體流動(dòng)速率儀，設(shè)置參數(shù)如下表4，進(jìn)行測(cè)試，取五個(gè)樣進(jìn)行稱重去平均值。

表4 熔體流動(dòng)速率儀參數(shù)設(shè)置

3.結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合材料對(duì)沖擊強(qiáng)度影響

圖1表示木纖維含量對(duì)聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的影響。由圖可知隨著木纖維填料用量的增加，缺口沖擊強(qiáng)度呈線性下降。木粉的加入增加了材料的剛性，同時(shí)使材料變脆，從而使缺口沖擊強(qiáng)度下降較多。隨著填料的增加，沖擊強(qiáng)度在0～5和10～15明顯下降，說明木纖維的加入改變了樹脂基體的連續(xù)性，不利于能量的傳遞和擴(kuò)散，從而導(dǎo)致韌性下降。而木纖維含量從5份增加到10份時(shí)，沖擊強(qiáng)度下降不明顯。

圖1 木纖維復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度

3.2 復(fù)合材料拉伸性能影響

3.2.1拉伸強(qiáng)度 圖2表示木纖維含量對(duì)聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨木纖維含量的增加而增加,木纖維含量在10份左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值。木纖維含量超過10份之后，拉伸強(qiáng)度有所下降。拉伸強(qiáng)度出現(xiàn)極大值說明木纖維用量在一定范圍內(nèi)對(duì)聚酰胺有補(bǔ)強(qiáng)效果。

圖2 木纖維復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度

3.2.2斷裂伸長(zhǎng)率

伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示材料斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力。伸長(zhǎng)率越大或斷面收縮率越高，說明塑性越大。圖3表示木纖維含量對(duì)聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料延伸率的影響。從木纖維含量對(duì)聚酰胺-6/木纖維復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響，可以看出隨著木纖維含量的增加斷裂伸長(zhǎng)率呈下降的趨勢(shì)。

圖3 木纖維復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率

3.3 復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率

圖4是木纖維復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率隨著木纖維含量的變化曲線，由于物料的成型一般都是在熔融流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，所以要求被加工的物料具有適當(dāng)?shù)牧髯冃?。流?dòng)性過小，如果流動(dòng)速率過小，可能注塑結(jié)構(gòu)復(fù)雜制件或薄壁件時(shí)會(huì)導(dǎo)致沖模不完全；流動(dòng)性過大，不能形成足夠的擠出壓力，造成制品的強(qiáng)度缺陷和表面缺陷[5]。由圖可知木纖維的加入使材料的流動(dòng)性能變差，這是由于木粉將受到較大的剪切作用力，且增加在擠出機(jī)中的停留時(shí)間，使木纖維容易燒焦，使整體流動(dòng)性變差。

圖4 木纖維復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率

4.結(jié)論

（1）隨著木纖維含量的增加拉伸強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)上升，說明木纖維的加入在一定范圍內(nèi)對(duì)復(fù)合材料有一定的補(bǔ)強(qiáng)效果。

（2）木粉的加入增加了材料的剛性，同時(shí)使材料變脆，從而使缺口沖擊強(qiáng)度下降。

（3）由于木粉將受到較大的剪切作用力，且增加在擠出機(jī)中的停留時(shí)間，使木纖維容易燒焦纖維，使整體流動(dòng)性變差

[1]胡建鵬，郭明輝.改性工業(yè)木質(zhì)素木纖維復(fù)合材料制備工藝及結(jié)合性能表征[J]，林業(yè)科學(xué)，2013,49（4）：103-109

[2]周興平,解孝林.劍麻纖維的表面改性及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J],工程塑料應(yīng)用,2000,28(8):44-47.

[3]唐偉家,李茂彥,吳汶.世界塑木復(fù)合材料市場(chǎng)動(dòng)向和開發(fā)建設(shè)[J].中外能源,2007,12(6):15-19

[4]嚴(yán)義剛,王保偉,丁輝.木塑復(fù)合材料偶聯(lián)劑研究進(jìn)展[D].天津:天津大學(xué),2008.

[5]張京珍.塑料成型工藝[M]，中國(guó)輕工業(yè)出版，2010.

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1009-5624（2016）06-0172-03