植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究

1、包裝學報PackagingJournal Vol.3No.1Jan.2011第3卷第1期2011年1月植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究曾廣勝,徐成,林瑞珍,許超,江太君,劉躍軍(湖南工業(yè)大學包裝新材料與技術重點實驗室,先進包裝材料與技術湖南省普通高校重點實驗室,湖南株洲412007摘要:以聚丙烯(PP、廢瓦楞紙板制取的植物纖維為原料,采用馬來酸酐接枝聚丙烯(MAH-g-PP、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑為界面相容劑,研究了植物纖維增強PP 復合材料的力學性能。結果表明:未添加界面相容劑時,隨著植物纖維用量的增加,復合材料沖擊強度急劇下降,彎曲強度和拉伸強度上升;添加界面相容劑MAH-g-P

2、P 后,當植物纖維的質量分數(shù)為30%時,復合材料的彎曲強度和拉伸強度均達到最大值;在MAH-g-PP、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑三者中,MAH-g-PP 改善植物纖維與PP 之間的界面相容性效果最佳;當MAH-g-PP 添加質量為植物纖維添加質量的10%時,復合材料的沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度及綜合性能最佳。關鍵詞:木塑復合材料;PP;植物纖維;力學性能;相容劑中圖分類號:TB332文獻標志碼:A文章編號:1674-7100(201101-0044-04ExplorationofMechanicalPerformancesofFiberReinforcedPPCompositesZengGua

3、ngsheng,XuCheng,LinRuizhen,XuChao,JiangTaijun,LiuYuejun(KeyLaboratoryofNewMaterialsandTechnologyforPackaging,KeyLaboratoryofAdvancedMaterialsandTechnologyforPackagingofHunanCollegesandUniversities,HunanUniversityofTechnology,ZhuzhouHunan412007,ChinaAbstract :PPandrecycledcorrugatedpaperboardastheraw

4、materialandMAH-g-PP,aluminumesterandaluminum-titaniumcompoundcouplingagentwereusedtoinvestigatethemechanicalperformanceoffiberreinforcedPPcomposites.The resultsshowthat:thetensilestrengthincreaseswhiletheimpactstrengthdecreaseswiththeloadingoffiberwithoutsolubilizer;boththebendingandtensilestrengthr

5、eachesthehighestpointwhentheMAH-g-PPloadingstaysat30wt%;amongthethree mentionedcouplingagents,MAH-g-PPissuperiortomodifytheinterface;theimpactstrength,tensilestrengthandbending strengthobtainanoptimizedvaluewhentheMAH-g-PPcontentis10%tofiberfilled.Keywords :wood-plasticcomposite;polypropylene;fiber;

6、mechanicalproperties;compatibility收稿日期:2010-08-31基金項目:國家自然科學基金資助項目(10972076,10672197,湖南省杰出青年基金資助項目(07JJ1001,湖南省自然科學基金資助項目(09JJ6083,湖南省教育廳基金資助項目(09C317,09C318,湖南省高?？萍汲晒a(chǎn)業(yè)化培育基金資助項目(09CY016作者簡介:曾廣勝(1975-,男,湖南洞口人,湖南工業(yè)大學副教授,博士,主要從事包裝工程及高聚物加工工程方面的研究,E-mail:Guangsheng_zeng0前言木塑復合材料價格低廉,性能優(yōu)良,使用方便,可鋸、刨、釘,既保留

7、了木材在加工性能方面的優(yōu)勢,又克服了木材不耐用怕蟲蛀的缺點。因此,木塑復合材料可以替代外運貨物時常用的木制包裝材料和鋪墊材料,也可用于化工行業(yè)的耐腐工棚、裝飾板、地板、通道、臺架,及鑄造模型、機器罩、水泵殼、電器用材等1。然而植物纖維性能與樹脂基體表面性能不同,因此兩者復合時界面黏接的效果較差,從而導致復合材第1期45料的力學性能降低。為解決這一問題,前人做了較多研究2-6,如Nenkova等人在含10%體積分數(shù)的馬來酸酐的丙酮溶液中,采用過氧化二苯甲酰(b e n z o y l peroxide,BPO和過氧化二異丙苯(dicumylperoxide, DCP引發(fā)馬來酸酐對植物纖維進行表面

8、改性,增加了界面的黏合力,所制得的聚乙烯(polypropylene,PP基木塑復合材料的力學性能有了較大的提高2;Demir 等人分別采用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyl triethoxysilane,AS、3-(三甲氧基甲硅烷基-1-丙硫醇(3-mercaptopropyltrimethoxysilane,MS和馬來酸酐接枝聚丙烯(maleicanhydridegraftedpolypropylene, PP-g-MAH作為PP/絲瓜纖維復合材料的界面改性劑,改善了聚合物與絲瓜纖維復合材料的相容性,提高了其力學性能和抗吸濕性能3。木塑復合材料的應用越來越廣泛,在確保材

9、料優(yōu)良性能的同時降低材料的成本是這方面的研究熱點。植物纖維含量越高,成本越低,但纖維與基體樹脂界面間的弱結合力使得復合材料的力學性能下降,相容劑可有效改善兩者間的界面結合力,提高材料的性能。本文以PP、廢瓦楞紙板制取的植物纖維為原料,采用MAH-g-PP、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑為界面相容劑,研究了植物纖維填充量、相容劑種類及用量對植物纖維增強PP復合材料的力學性能影響。1實驗部分1.1實驗原材料PP:T30S,中國石化;MAH-g-PP:南京德巴化工有限公司;鋁酸酯偶聯(lián)劑:遼化集團;鋁鈦偶聯(lián)劑:佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司;抗氧劑1010:深圳市龍崗區(qū)平湖多彩化工;潤滑劑、硬脂酸(工業(yè)

10、級:寧波萬盟新材料科技有限公司。1.2儀器及設備雙螺桿擠出機:CTE-35科倍隆科亞(南京機械有限公司;注射成型機:HTF90W1,寧波海天股份有限公司;電子萬能拉力機:CMT-6000型,深圳三思計量有限公司;沖擊試驗機:XJJ-50J,承德大華試樣機有限公司。1.3復合材料的制備1將從廢品回收站購買的廢瓦楞紙板于水中浸泡30h后在粉碎機中粉碎,再于110電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥48h,冷卻后即得所需植物纖維。2將冷卻后的植物纖維、PP樹脂、相容劑及各種助劑在高速混合機中共混15min,然后在雙螺桿擠出機上于170195條件下擠出造粒。3將粒料干燥24h后注塑成型制得試驗用樣條。1.4性能測

11、試按國家標準測試所得樣條的力學性能:拉伸強度按GB/T10401992進行;懸臂梁缺口沖擊強度按GB/ T18431996進行;彎曲強度按GB/T93412000進行。2結果與討論實驗中固定抗氧劑1010的添加質量為PP添加質量的0.5%,潤滑劑的添加質量為PP添加質量的2%。2.1植物纖維添加質量分數(shù)對P P木塑復合材料力學性能的影響植物纖維添加質量分數(shù)對P P木塑復合材料的拉伸強度、抗彎彈性模量、彎曲強度、沖擊強度等力學性能的影響見圖1。 a拉伸強度 b抗彎彈性模量c彎曲強度曾廣勝,等植物纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究包裝學報462011年由圖1中ac圖可知,隨著植物纖維添加質量分數(shù)

12、的增加,復合材料的拉伸強度、抗彎彈性模量、彎曲強度均呈先上升后下降的趨勢。當植物纖維添加質量分數(shù)約為30%時,復合材料的各性能強度均達最大值,相對于純PP,其拉伸強度提高了33.8%,抗彎彈性模量提高了168.6%,彎曲強度提高了29.5%。當植物纖維添加質量分數(shù)超過30%后,復合材料的各性能強度逐漸降低。這是因為:植物纖維作為增強填料,有一定的長徑比和較高的比強度,當其含量在一定的范圍內(nèi)時,填料能對復合材料的性能起增強作用。當纖維含量達到一定程度(添加質量分數(shù)為30%時,植物纖維在PP基體中能形成連續(xù)相,聚丙烯分布于植物纖維的微纖維表面空隙中,成為植物纖維間的黏合劑。此時,基體中的植物纖維含

13、量較多,會使得植物纖維間出現(xiàn)相互接觸、交叉、甚至纏繞的情形,從而使得其力學性能提高。但由于植物纖維與樹脂間界面結合較差,同時隨著植物纖維含量的進一步增大,植物纖維的分散性變差,凝聚現(xiàn)象加劇,易產(chǎn)生應力缺陷,從而使得復合材料的力學性能下降。由圖1中d圖可知,植物纖維的加入使得木塑復合材料的沖擊強度降低,相對于純PP,其沖擊強度下降了18.9kJ/m2。這是因為植物纖維的韌性較差,加入植物纖維后使得復合材料的沖擊強度降低。同時纖維含量的增加使植物纖維的凝聚現(xiàn)象加劇,植物纖維顆粒的應力集中及產(chǎn)生缺陷幾率增大,從而使得體系的沖擊強度降低。2.2相容劑種類對PP木塑復合材料力學性能的影響本實驗主要考慮M

14、AH-g-PP、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑3種相容劑對植物纖維增強PP復合材料力學性能的影響,且實驗中固定3種相容劑的添加質量均為植物纖維添加質量的5%,所得結果見圖24。從圖2和3可看出,添加等質量的MAH-g-PP、鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑3種相容劑,均使得復合材料的拉伸強度、彎曲強度在植物纖維添加質量分數(shù)為30%左右時達最高值,其中MAH-g-PP處理的效果最好,鋁鈦偶聯(lián)劑次之。由圖4可看出,經(jīng)相容劑處理后的復合材料的沖d沖擊強度圖1植物纖維添加質量分數(shù)對復合材料力學性能的影響Fig.1Effectoffibercontentsonmechanical properticsofcompos

15、ites 圖2不同相容劑對復合材料拉伸強度的影響Fig.2Effectofcompatibilitiesoncompositestensilestrength圖3不同相容劑對復合材料彎曲強度的影響Fig.3Effectofcompatibilitiesoncomposites bulkingstrength圖4不同相容劑對沖擊強度的影響Fig.4Effectofcompatibilitiesoncomposites impactstrength第1期47擊強度均隨植物纖維添加質量分數(shù)的增大而降低,其中經(jīng)鋁鈦偶聯(lián)劑處理后的復合材料的沖擊強度最佳,經(jīng)MAH-g-PP 處理后的復合材料的沖擊強度較差

16、。這是因為與鋁酸酯和鋁鈦偶聯(lián)劑相比,MAH-g-PP 分子鏈上接枝的酸酐基團與植物纖維表面層纖維素上的羥基在受熱時更易生成酯鍵,從而使兩者通過化學鍵結合,加之MAH-g-PP 與PP 基體有良好的相容性,通過其與PP 分子的纏結作用使植物纖維與基體PP 有著很強的結合力,從而使經(jīng)MAH-g-PP處理的植物纖維填充PP 有更好的拉伸強度和彎曲強度。但因MAH-g-PP 本身質脆,且與鋁酸酯、鋁鈦偶聯(lián)劑相比其分子鏈變形能力差,受沖擊時吸收的沖擊功小,所以其沖擊性能較差。2.3相容劑添加質量分數(shù)對P P 木塑復合材料力學性能的影響本實驗中固定植物纖維的添加質量分數(shù)為30%,改變纖維中MAH-g-PP

17、 的添加質量分數(shù),考查其對復合材料力學性能方面的影響,結果如圖5所示。 由圖5可知,在一定用量范圍內(nèi),MAH-g-PP 對植物纖維填充PP 有明顯的增容作用。在纖維中MAH-g-PP 的添加質量分數(shù)達10%之前,復合材料的拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度均隨MAH-g-PP 添加質量分數(shù)的增加而增大,之后復合材料的各性能強度均有所降低,在MAH-g-PP 添加質量分數(shù)為植物纖維的10%時,復合材料的各項性能強度最高。這是因為相容劑用量的增加,在植物纖維與PP 間起增容作用的接枝物也相應增加,因而當植物纖維填充量相同時提高了植物纖維與PP 的相容性;但用量超過一定范圍后,復合材料中未起增容作用的接枝

18、物逐漸增多,在塑料基體和植物纖維間形成多分子層,造成纖維和樹脂界面結構不均勻,反而消弱了兩者的相容性,從而使得復合材料的力學性能降低。3結論1未添加相容劑時,植物纖維添加量對木塑復合材料的力學性能影響很大,當其添加質量分數(shù)為30%時,木塑復合材料的抗拉強度和抗彎強度均達到最大值,而沖擊強度隨著植物纖維的加入明顯下降。2MAH-g-PP 對植物纖維增強PP 復合材料增容作用較鋁酸酯偶聯(lián)劑、鋁鈦偶聯(lián)劑好。3MAH-g-PP 用量對復合材料力學性能有較大影響,當其添加質量分數(shù)為植物纖維的10%時,復合材料的拉伸強度、沖擊強度和彎曲強度均達最大值。參考文獻:1魯禮娟.我國木塑復合材料的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨

19、勢J.木材加工機械,2008,40(6:40-41.LuLijuan.TheCurrentProductionStatusandDevelopment TrendofWoodPolymerCompositesinChinaJ.Wood ProcessingMachinery,2008,40(6:40-41.2NenkovaS,DobrilovaC,NatovM,etal.Modificationof WoodFlourwithMaleicAnhydrideforManufactureofWood-PolymerCompositesJ.PolymerandPolymerComposites,20

20、06,14(2:185-194.3DemirH,AtiklerU,BalkoseD,etal.TheEffectofFiber SurfaceTreatmentsontheTensileandWaterSorption PropertiesofPolypropylene-FluffFiberCompositesJ.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2006,37(3:447-456.4莊乃銀,丁建生.提高聚丙烯基木塑復合材料性能的研究J.現(xiàn)代塑料加工應用,2004,16(2:13-14.ZhuangNaiyin,DingJiansheng.StudyonImprovementof PerformanceofWPCBasedonPPJ.M