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偶联剂含量对植物纤维/高密度聚乙烯复合材料力学性能影响

发布: 2011-9-08 13:41 |  作者: 许民 |   查看: 1985次

OsjO*^t3oVh0植物纤维复合材料是以植物纤维作增强材料,以树脂或水泥作基体的一种复合材料。植物纤维是自然界储量最丰富的生物质天然高分子材料,自然界中每年生长的纤维素(以植物纤维的形式存在)总量多达千亿吨,远远超过了地球上现有的石油总储量,在自然资源日见缺乏的今天,充分利用植物纤维的潜力,发挥其独特的功能和特性,开发新的应用领域,是引人注目的热点。植物纤维价格低廉,密度小,具有较高的弹性模量,与无机纤维相近,而它的生物降解性和可再生性是其它任何增强材料无法比拟的,因而具有广阔的发展前景。植物纤维填充和增强塑料是新型的绿色环保型复合材料,在国外,植物纤维增强塑料复合材料已经被用于汽车工业、建筑业、运输业、航空业等。因此,研究植物纤维聚合物基复合材料具有较好的经济效益和深远的社会意义。北京龙木天成木塑技术推广中心 YOxk)k W6^b
    本实验以高密度聚乙烯为基体,以植物纤维为填料,利用双阶塑料挤出机组制备植物纤维复合材料,研究目标是偶联剂含量对植物纤维/高密度聚乙烯复合材料力学性能的影响。
F{BR$Iw^{%|0    1  材料与方法
K.pa RSC!Fk y!j0
    1.1 实验材料北京龙木天成木塑技术推广中心 !}Z3PZ uN
    填料:选用两种:填料1(稻草:粉碎,干燥至含水率在3%以下,颗粒度为14-80目,定为1号料);填料2(玉米秸秆:采用两种方法处理,方法一,手工除去秸叶和秸穰只保留秸皮,定为2号料;方法二,没有除去秸叶和秸穰的玉米秸秆,定为3号料。将两种方法处理的玉米秸秆分别粉碎干燥至含水率在3%以下,颗粒度为14-80目)。北京龙木天成木塑技术推广中心 '_6b VrI[NG
    高密度聚乙烯(HDPE)颗粒:大庆石化公司生产,型号2200J。北京龙木天成木塑技术推广中心 OfEsx4AL
    偶联剂:马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE),白色颗粒,广州柏晨有限公司生产,使用时用植物纤维粉碎机粉碎。北京龙木天成木塑技术推广中心 2{a0A-O^.k&xi
    1.2 主要设备及仪器北京龙木天成木塑技术推广中心 [C9T%}1P
    SJSH30/SJ45双阶塑料挤出机组;9FQ-300型锤式粉碎机;HR-A高速混合机;北京龙木天成木塑技术推广中心 8L.p4U)w~?
    XJ-5OG组合式冲击实验机; GT-20A电子万能力学试验机。
TQW/LQR0    1.3 植物纤维/高密度聚乙烯复合材料的制备
3Lg1|,Bwg(L0    将稻草和玉米秸秆分别与HDPE和MAPE按一定比例复配,经高速混合机混合5分钟,然后从双阶塑料挤出机组的主喂料口加入,通过双螺杆熔融塑化混合,单螺杆挤出成型,分别制得稻草/高密度聚乙烯复合材料和玉米秸秆/高密度聚乙烯复合材料,挤出机加热区的温度控制在130-170℃。
:s$L?0v7Wi{3J0    1.4 力学性能的测试
bTW!D3r&s0    抗拉强度按GB/T1040-92制成尺寸为150×20mm的试件,弯曲强度按GB/T9341-2000制成80×10mm的试件,每组试样为5个,抗拉强度和弯曲强度均用RGT-20A电子万能力学试验机测试。北京龙木天成木塑技术推广中心 i!m*Q)n%Pb
    2  结果与讨论北京龙木天成木塑技术推广中心 NK9|/V jyL&\ z
    2.1 拉伸性能北京龙木天成木塑技术推广中心 B)u2oze"?"z n
    拉伸性能是反应材料被拉伸时抵抗施加应力的能力,图1至图4分别列出了MAPE含量对复合材料拉伸强度、拉伸弹性模量、屈服强度和断裂伸长率的影响,其中填料含量均为复合材料质量的40%。
6z]'w"Z%a2o'Kx0            表1 偶联剂含量对复合材料拉伸性能的影响
vVif1E9Q x+?*oW.B[0MAPE含量 
&h0hGk!~#^0/%        拉伸强度/MPa   拉伸弹性模量/GPa  拉伸屈服强度/MPa   拉伸断裂伸长率/%北京龙木天成木塑技术推广中心 "aNQFxg%I2CgU
         1号料 2号料 3号料 1号料 2号料 3号料   1号料 2号料 3号料   1号料 2号料 3号料
U;O0Btga9Q+`00       24.12 24.96 13.22  0.49 0.45 0.34    24.02 24.96 13.21    6.86 6.26 4.98
QK$h-f"fq-n4^03       27.64 27.44 23.23  0.54 0.52 0.43    27.63 27.43 23.22    7.47 7.33 7.34北京龙木天成木塑技术推广中心 .f-Xk)d f(b_9F
6       28.81 33.74 26.09  0.49 0.59 0.48    28.80 33.73 26.09    8.64 7.78 7.09
*^xri$Ny09       24.23 33.05 24.48  0.52 0.58 0.40    28.22 33.04 24.47    8.06 7.82 8.55
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    从表1数据可以看出,虽然1号料和2号料是两种不同的料,但制备的复合材料各项拉伸性能相差不大,这主要是因为稻草和玉米秸秆化学成分组成基本相同,含量稍有不同,稻草全纤维素含量36.20%,木素含量8.93%,玉米秸秆全纤维素含量37.68%,木素含量18.38%[5],而用3号料制备的复合材料各项拉伸性能明显低于1号料和2号料,这主要是因为3号料中含有秸叶和秸穰,秸叶和秸穰中含糖量较高,且大部分是水溶性糖类,对复合材料性能影响较大。北京龙木天成木塑技术推广中心 !_uk4P.p
    添加偶联剂后,用三种原料制备的复合材料的各项拉伸性能均高于未添加偶联剂时复合材料的拉伸性能,而且随偶联剂含量的增加,复合材料的各项拉伸性能(除2号料制备的复合材料的抗拉弹性模量)均先增加后减小,并且在偶联剂含量为6%时,复合材料的各项拉伸性能达到最大值。就拉伸强度而言,偶联剂含量为3%时,1号料的强度比未添加偶联剂时提高了14.59%,2号料的强度比未添加偶联剂时提高了9.94%,3号料的强度比未添加偶联剂时提高了75.72%;偶联剂含量为6%时,1号料的强度比未添加偶联剂时提高了19.44%,2号料的强度比未添加偶联剂时提高了35.18%,3号料的强度比未添加偶联剂时提高97.35了%;偶联剂含量为9%时,1号料的强度比未添加偶联剂时提高了0.46%,2号料的强度比未添加偶联剂时提高了32.41%,3号料的强度比未添加偶联剂时提高85.17了%。北京龙木天成木塑技术推广中心 H h$X X0y8D/{
    分析拉伸性能随偶联剂变化的原因,主要与偶联剂的作用机理有关。稻草和玉米秸秆中含有纤维素,当偶联剂含量较少时,偶联剂能在纤维表面形成均匀的偶联剂单分子层,起桥梁的作用,从而使复合材料体系形成完整的界面;同时偶联剂大分子与基体和增强纤维形成了新的化学键。当受外力作用时,界面能使外力均匀地传递给增强纤维,使外力有效的在增强纤维之间得到缓冲,从而使复合材料的力学性能随之提高,一旦此偶联剂单分子界面层形成以后,过量的加入偶联剂,多余的偶联剂会在体系中形成聚集或多分子层。一旦形成聚集就会减少与基体和增强纤维的键合几率,结果造成复合体系中界面结构不均匀,复合材料受外力作用时,很容易破坏,从而使复合材料体系的力学性能降低。若形成多分子层,偶联剂与基体之间偶合效果较差,界面结合力差,复合材料受外力作用时,纤维容易从高密度聚乙烯中抽出,复合材料性能降低。北京龙木天成木塑技术推广中心 \ad0N5Tqj*N7u
    而对于断裂伸长率来说,出现这种实验结果是由于偶联剂的加入降低了高密度聚乙烯高分子链之间的相互作用,使链间的相对滑移变得容易。当试件受到拉伸时,由于高分子链之间的相对滑移使材料更易伸长,复合材料断裂伸长率有所增加,从而提高了高密度聚乙烯的韧性。当偶联剂加入量过多时,在复合材料内部产生团聚,当有外力作用于复合材料时,材料由于韧性降低而易于断裂,因此表现为断裂伸长率下降[9]。当偶联剂含量为6%时,1号料的断裂伸长率比未添加偶联剂时的提高了25.95%;2号料的断裂伸长率比未添加偶联剂时的提高了24.28%;3号料的断裂伸长率比未添加偶联剂时的提高了42.37%。当偶联剂含量9%时,1号料的断裂伸长率比未添加偶联剂时的提高了17.49%,比偶联剂含量为6%的断裂伸长率降低了8.46%。北京龙木天成木塑技术推广中心 ~6n+y1D7G+k(K
    从表中数据还可看出,不管是稻草还是除去秸叶和秸穰的玉米秸秆制备的复合材料,其弹性模量随偶联剂含量的增加变化程度均不很明显,基本在0.5~0.6MPa之间,而没有除去秸叶和秸穰的玉米秸秆复合材料的弹性模量,明显低于稻草和除去秸叶和秸穰复合材料的弹性模量。北京龙木天成木塑技术推广中心 a#B_R#w?'Y:q
    2.2 弯曲性能
!Fd'Eu\h0    弯曲性能反应材料承受横向载荷的能力,表2是偶联剂含量对复合材料弯曲强度和弯曲模量的影响,其中填料含量为复合材料质量的40%。
,?o2X:Gu.R8j9ow0       表2 偶联剂含量对复合材料弯曲性能的影响北京龙木天成木塑技术推广中心 G|&v(L3trXD2x5i
MAPE含量/%        弯曲强度/MPa        弯曲弹性模量/GPa
6G6D1xb|vD%t0               1号料 2号料 3号料        1号料 2号料 3号料北京龙木天成木塑技术推广中心 *_F4p/t e3T
0              31.13 29.30 24.05        1.93 1.88 1.35
)P&bNA]/l03              46.98 48.84 32.30        2.07 2.67 1.30
,b4P2B6b.M `%|h06              46.79 46.99 40.99        2.01 2.25 1.73
-p?4|aP"D:w8^["B09              45.94 49.00 40.06        2.07 2.32 1.67

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从表2数据可以看出在偶联剂含量为3%时,1号料和2号料制备的复合材料弯曲性能较好,此时弯曲强度与未加偶联剂时相比,1号料提高了50.92%,2号料提高了66.69%;弯曲弹性模量与未加偶联剂时相比,1号料提高了7.25%,2号料提高了42.02%。从表中还可看出,加入偶联剂后,用1、2两种原料制备的复合材料弯曲强度相差不大,而用3号料制备的复合材料,弯曲强度比1、2号料的下降很多,这是因为秸叶和秸穰是空心材料,强度较低。随偶联剂含量的增加,弯曲强度和弯曲弹性模量均先增加后减小,其原因与偶联剂对拉伸性能的影响相类似。用三种原料制备的复合材料,弹性模量在1.3MPa以上,弹性模量体现的是材料抵抗变形能力的大小,主要与材料组成有关。比较可以看出,在偶联剂含量为3%时,2号料制备的复合材料弹性模量明显高于另外两种复合材料的,1号料的次之。产生这种现象的原因与填料成份有关,玉米秸秆全纤维素含量高于稻草全纤维素含量,游离羟基较多,结合的偶联剂较多。北京龙木天成木塑技术推广中心 0m"Z&j D{E3U%\H
    3.  结论
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    (1)用挤出工艺制备植物纤维/高密度聚乙烯复合材料,植物纤维和高密度聚乙烯比例为4:6时,在一定工艺条件下加入马来酸酐接枝聚乙烯,能制造出性能良好的植物纤维塑料复合材料。北京龙木天成木塑技术推广中心 'w^h'FAq
    (2)偶联剂含量为3%时,复合材料弯曲性能较好;偶联剂含量为6%时,复合材料拉伸性能较好。北京龙木天成木塑技术推广中心 ,D:{'K-@b3nw+]7a o^A
    (3)对比三种复合材料,用稻草和除去秸叶和秸穰的玉米秸秆制备的复合材料力学性能优于用没有除去秸叶和秸穰制备的复合材料的力学性能。北京龙木天成木塑技术推广中心 [+L-jS/e
    参考文献:【略】
北京龙木天成木塑技术推广中心 -ca$NB9S}!_3W

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