竹粉改性聚氯乙烯材料的研究

楊中文 劉西文

（湖南科技職業(yè)學(xué)院 長沙 410118）

竹粉改性聚氯乙烯材料的研究

楊中文 劉西文

（湖南科技職業(yè)學(xué)院 長沙 410118）

采用竹粉填充聚氯乙烯，研究了竹粉纖維預(yù)處理、竹粉纖維含量、粒徑大小對改性聚氯乙烯塑料性能的影響。發(fā)現(xiàn)對竹粉纖維進(jìn)行堿處理、偶聯(lián)處理可提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，但沖擊強(qiáng)度略有下降；竹粉纖維含量的增加、粒徑增大會使改性聚氯乙烯塑料拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度下降。該改性聚氯乙烯塑料的綜合性能良好，仍有廣闊的應(yīng)用前景。

竹粉，改性，聚氯乙烯，材料

湖南益陽是我國的竹林之鄉(xiāng)，竹制品生產(chǎn)規(guī)模較大，在竹制品加工廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的廢棄竹材，為了充分利用該資源，我們將竹制品加工廠的廢棄料粉碎并將其填充到聚氯乙烯，得到竹粉改性聚氯乙烯材料，以期解決大量廢棄竹材料的問題，同時制得具有廣泛用途的竹粉改性聚氯乙烯塑料材料。

本研究選用湖南益陽竹制品加工廠的廢棄下腳料，通過對竹粉進(jìn)行改性處理，實(shí)現(xiàn)改變竹粉與聚氯乙烯界面相互作用，以期得到性能較好的竹粉改性聚氯乙烯塑料材料。研究竹粉的堿處理、硅烷偶聯(lián)劑處理、竹粉含量及粒徑大小對改性聚氯乙烯力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗部分

1.1 主要原輔材料

PVC，SG-5，株洲化工集團(tuán)；

竹粉（湖南益陽），過篩得到75μm、106μm、150μm、270μm的竹粉，自制；

硅烷偶聯(lián)劑，KH560，南京曙光化工總廠；

其它助劑，硬酯酸、ACR401、ACRKM-355、二鹽基亞磷酸鉛、三鹽基硫酸鉛、硬酯酸鋇、碳酸鈣、鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）等均為市售工業(yè)級產(chǎn)品。

表1 竹粉纖維/聚氯乙烯復(fù)合材料基礎(chǔ)配方

表2 竹粉堿處理對竹粉改性聚氯乙烯材料性能的影響

表3 偶聯(lián)劑處理對竹粉纖維/聚氯乙烯復(fù)合材料性能的影響

1.2 儀器與設(shè)備

高速混合機(jī)，GH-10，北京塑料機(jī)械廠；

雙輥混煉機(jī)，SK160B，上海橡膠機(jī)械廠；

平板硫化機(jī)，YX-45，長沙橡膠機(jī)械廠；

萬能制樣機(jī)，ZHY-W，中山試驗機(jī)總廠；

對創(chuàng)業(yè)知識理論體系的建構(gòu)和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力的培養(yǎng)方面，高校團(tuán)委要努力找準(zhǔn)定位，切實(shí)的去發(fā)展發(fā)揮高校團(tuán)委的組織優(yōu)勢。應(yīng)該要立足實(shí)際，創(chuàng)業(yè)最主要的是實(shí)踐能力，只停留于表面教育，那么真正落實(shí)與實(shí)處的話，學(xué)校的創(chuàng)業(yè)教育還是得不到體現(xiàn)。由高校團(tuán)委引流，吸引校外資本和資金的流入，為學(xué)生創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊提供一個資金的保障，在此同時也可以得到校外資本家、企業(yè)家的創(chuàng)業(yè)經(jīng)驗交流，由此，學(xué)生的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊不僅可以得到一定的資金支撐，還可以得到校外真正的實(shí)業(yè)家的經(jīng)驗分享和實(shí)用技能，而校外企業(yè)家也可以一起來分創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊的成果，以此也可形成一種相對的創(chuàng)業(yè)資源的良性循環(huán)體系。

電子拉力機(jī)，LDX－200，濟(jì)南蘭光機(jī)電技術(shù)有限公司；

簡支梁沖擊實(shí)驗機(jī)，XCJ-4，承德市材料試驗機(jī)廠；

1.3 竹粉纖維的預(yù)處理

用20%的NaOH溶液浸泡竹粉粉48小時，用蒸餾水沖洗干凈，去掉殘留的NaOH，沖洗干凈后，再將竹粉置于真空干燥箱中，185℃下真空干燥4小時；除去竹粉纖維粉中的水分和其他易揮發(fā)的組份，然后將硅烷偶聯(lián)劑的水溶液霧噴到竹粉上攪拌混合均勻，干燥備用[1]。

1.4 試樣的制備

基礎(chǔ)配方：如表1所示。

工藝路線：如圖1所示。

工藝條件：高速混合溫度110℃，時間8分鐘，開煉塑料溫度165-175℃，時間12分鐘，壓制溫度185-195℃，時間8分鐘。

1.5 性能測試

拉伸強(qiáng)度按GB/T1049—92測定,拉伸速度5mm/min，溫度為25℃；沖擊強(qiáng)度按GB/T1043—93，測試樣條無缺口。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹粉堿處理對竹粉改性聚氯乙烯材料的影響

對植物纖維進(jìn)行堿處理是纖維改性的傳統(tǒng)方法，目前己廣泛用于天然植物纖維的改性處理。堿處理法使植物纖維中的部分果膠、木素、半纖維素等低分子量雜質(zhì)被溶解以及微纖旋轉(zhuǎn)角減小，分子取向提高，這樣，纖維表面的雜質(zhì)被除去，纖維表面變得粗糙，使纖維與界面樹脂之間黏合能力增強(qiáng)[2-3]。另一方面，減處理導(dǎo)致纖維原纖化，即復(fù)合材料中的纖維束分裂成更小的纖維，纖維的直徑降低，長徑比增加，與基體樹脂的有效接觸面積增加。

對竹粉進(jìn)行堿處理及不處理試驗進(jìn)行對比，結(jié)果表明堿處理后改性聚氯乙烯材料的拉伸強(qiáng)度有所增加而沖擊強(qiáng)度有所下降，如表2所示。

堿處理竹粉填充到聚氯乙烯中去提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，原因可能是竹粉纖維通過堿處理，除去了纖維表面的油脂，纖維表面變得粗糙，增大了竹粉纖維與聚氯乙烯樹脂的接觸面積與黏合力，從而提高了竹粉改性聚氯乙烯塑料的拉伸強(qiáng)度，正是因為堿處理除去了竹粉纖維的油脂，減小了油脂存在于聚氯乙烯分子之間起增塑作用的情況，所以竹粉纖維通過堿處理后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度有所降低。

2.2 偶聯(lián)劑處理對竹粉纖維改性聚氯乙烯塑料材料的影響

偶聯(lián)劑用于無機(jī)填料填充熱塑性塑料是眾所周知的，實(shí)踐證明偶聯(lián)劑也可用于植物纖維填料填充改性熱塑性塑料，本研究選用硅烷類偶聯(lián)劑，硅烷偶聯(lián)劑作用時烷氧基先水解形成羥基，然后和纖維表面的羥基反應(yīng)形成氫鍵和醚鍵，而有機(jī)長鏈可以與聚合物作用，從而在纖維和聚合物中間形成較強(qiáng)的界面作用力[4]。結(jié)果表明，硅烷偶聯(lián)劑處理竹粉纖維后填充聚氯乙烯其拉伸強(qiáng)度提高較大，而沖擊強(qiáng)度有所下降，但下降幅度不大，如表3所示。

竹粉纖維與聚氯乙烯由于極性相差較大，所以它們之間的相容性差，通過偶聯(lián)劑處理竹粉纖維，提高了竹粉纖維與聚氯乙烯的相容性，使竹粉纖維與聚氯乙烯樹脂基體有很好的結(jié)合，所以使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度得到了較大的提高。其機(jī)理如下：偶聯(lián)劑的水解產(chǎn)物，一端的硅醇鍵（-Si-OH）一方面與竹粉纖維素表面的極性基團(tuán)（-OH）形成了氫鍵的鍵合作用，另一方面兩者脫水相連，另一端一方面胺基與PVC分子鏈上的-C1發(fā)生烷基化作用，胺基上的氫被烷基取代，另一方面與PVC長分子鏈發(fā)生物理纏結(jié)。因而使竹粉與PVC樹脂的相容性提高，改性塑料材料的拉伸強(qiáng)度有所提高。復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度略有下降的原因可能是由于竹粉纖維與聚氯乙烯相容性提高后纖維與基體結(jié)合牢固，改性聚氯乙烯塑料材料的剛性提高導(dǎo)致材料的韌性下降。大量研究表明，填料與基體塑料界面黏粘強(qiáng)度并不是越高越好，如果填料與塑料用樹脂界面黏結(jié)越好，則其層間剪切強(qiáng)度越高，但這時往往沖擊韌性有所下降[5-6]。因為通常沖擊能量的吸收和耗散是通過填充塑料中的填料，尤其是樹脂的韌性不好時，則在應(yīng)力作用下破壞增長過程的裂縫將很容易擴(kuò)散到界面，呈現(xiàn)脆性破壞。當(dāng)然，若界面黏結(jié)太弱，則在應(yīng)力作用下，填充塑料會在裂縫增長之前呈現(xiàn)界面脫落而破壞。此外，界面缺乏黏結(jié)力，易存在空隙，則水分很容易滲透進(jìn)其界面層而導(dǎo)致強(qiáng)度大大降低。

表4 竹粉纖維粒徑對復(fù)合材料性能的影響

表5 竹粉纖維用量對改性聚氯乙烯塑料性能的影響

2.3 竹粉纖維粒徑對復(fù)合材料性能的影響

一般來說填料的顆粒粒徑越小，假如它能分散均勻，則填充塑料的力學(xué)性能越好，但同時顆粒的粒徑越小，要實(shí)現(xiàn)其均勻分布就越難，需要更多的助劑和更好的加工設(shè)備。而且顆粒越細(xì)，所需要的加工費(fèi)用越高，因此要根據(jù)需要選擇適當(dāng)粒徑的填料。對于竹粉纖維填料，加工較細(xì)的顆粒越發(fā)困難。本研究采取了75μm、106μm、150μm、270μm的竹粉，在填充量為50Phr時進(jìn)行研究。結(jié)果表明，竹粉纖維粒徑越小，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均越大，如表4所示。

纖維粒徑越小，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度越高，原因可能是顆粒越小，填料與基體樹脂的接觸面積越大，特別是通過偶聯(lián)處理纖維后，纖維與樹脂有較好的相容性，另外顆粒大容易在材料中產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，所以填料粒徑小時復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度較高。

2.4 竹粉纖維用量對改性聚氯乙烯塑料性能的影響

除增強(qiáng)填料外，一般來說填料量增大，材料的強(qiáng)度有所下降，用竹粉纖維填充聚氯乙烯制得改性聚乙烯塑料性能變化符合該規(guī)律。本研究對150μm竹粉纖維填料，對其進(jìn)行偶聯(lián)處理，填充量分別為0份、10份、30份、50份進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，隨著填充量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均下降，如表5所示。

普通填料(顆粒狀)填充聚合物通常都使材料的拉伸強(qiáng)度下降，在填充塑料中填料為分散相，實(shí)際是被分割在基體樹脂構(gòu)成的連續(xù)相中，如同水中的島嶼一樣。假定填料的顆粒之間沒有空洞或者氣泡而完全充滿基體樹脂，但在受力截面上基體樹脂的面積必然小于純樹脂構(gòu)成的材料。在外力作用下基體樹脂從填料顆粒表面被拉開，因承受外力的總面積減小，所以填充材料的拉伸強(qiáng)度較未填充體系有所降低[7-8]。復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度也降低，下降幅度較大，這是因為作為分散相的竹粉纖維顆粒在基體中起到了應(yīng)力集中劑的作用，這些填料的顆粒是剛性的，不能在受力時變形，也不能終止裂紋或產(chǎn)生銀紋吸收沖擊能，因此使填充塑料的脆性增加。隨著竹粉纖維填充量的增加，由于竹粉纖維填料密度低，填料所占據(jù)的體積增大，同時竹粉纖維顆粒分散性變差，顆粒堆砌較差，不僅提供了更多的應(yīng)力集中點(diǎn)，而且更嚴(yán)重地影響了作為主要受理部分的PVC基體的連續(xù)性，從而使復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降。

雖然竹粉改性聚氯乙烯塑料的拉伸與沖擊性能隨著竹粉纖維填料的增加而下降，但該材料具有環(huán)保、尺寸穩(wěn)定、不生蟲、不易著火燃燒等特點(diǎn)，而且價格方面與純塑料比較有一定優(yōu)勢，所以該材料有望在許多場所代替木材使用，如可用于花園籬笆、仿木地板、建筑裝飾板、家具等方面獲得應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）對竹粉纖維進(jìn)行堿處理或偶聯(lián)劑處理可以提高竹粉纖維改性聚氯乙烯塑料材料的性能。

（2）竹粉的粒徑會影響聚氯乙烯改性塑料的性能，粒徑越大，竹粉改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度均下降。

（3）竹粉纖維的含量對改性聚氯乙烯塑料性能影響較大，竹粉含量越大，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度越低。

（4）竹粉改性聚氯乙烯塑料材料具有環(huán)保、不蟲蛀、尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，有望在園林籬笆、建筑裝飾材料及家具制造方面獲得應(yīng)用。

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Study on the modified PVC material with bamboo powder

YANG zhongwen LIU xiwen
(Hunan vocational college of science & technology ChangSha 410118)

Poly(viny chloride) was modifi ed by bamboo powder .The effects on modifi ed material properties, such as bamboo fi ber pretreatment, contents of bamboo powder and bamboo powder particles size were researched.The results showed that the tensile strength can be increased by alcali treated bamboo powder and organosilane(H 560)treated bamboo powder, but the impact strength were decreased a little bit.With the contents of bamboo powder increased and the bamboo powder particle diameter increased the tensile strength and the impact strength were decreased.the combination property of the modifi ed PVC material is perfect and will have wide application prospect in future.

Bamboo powder ，Modifi ed ，PVC，Material

湖南省教育廳支助課題，課題編號09C1189

湖南科技職業(yè)學(xué)院支助項目，項目編號KJ08006

楊中文，男，1963年出生，碩士，教授，湖南科技職業(yè)學(xué)院從事塑料加工技術(shù)教學(xué)與科研工作，研究主要方向為高分子材料改性。