聚烯烴/天然纖維復(fù)合材料的研究

李學(xué)鋒 閆晗 胡波

摘要：利用經(jīng)過預(yù)處理的木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣與高密度聚乙烯、聚丙烯制備了聚烯烴／天然纖維復(fù)合材料，并研究了其力學(xué)性能、熱變形溫度與相態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，木粉復(fù)合材料力學(xué)性能最高，甘蔗渣復(fù)合材料次之，稻草復(fù)合材料和稻糠復(fù)合材料稍差； 顯微成像表明經(jīng)合適預(yù)處理的纖維在樹脂中分布均勻。該法制備的新型復(fù)合材料是應(yīng)用天然纖維的一種有效方法。

關(guān)鍵詞：天然纖維；聚烯烴；預(yù)處理；性能

中圖分類號(hào)：ＴＱ３２５．１４；ＴＱ３２７．８文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ 文章編號(hào)：0439－８114（２０11）16－3375-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ ／ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＬＩ Ｘｕｅ－ｆｅｎｇａ，ＹＡＮ Ｈａｎｂ，ＨＵ Ｂｏａ

（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｗｕｈａｎ ４３００６８， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ ／ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｗｏｏｄ ｆｌｏｕｒ， ｒｉｃｅ ｂｒａｎ， ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｂａｇａｓｓｅ by pretreatment ｗｉｔｈ ＨＤＰＥ ａｎｄ ＰＰ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｏｄ ｆｌｏｕｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｈａd ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｂａｇａｓｓｅ， ａｎｄ ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｒｉｃｅ ｂｒａｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌｅｓｓ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｔｅｓｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅd ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔed ｂｙ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ was an ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｕｓｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ； ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ； ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

天然纖維復(fù)合塑料主要是由纖維素材料（包括木粉、竹粉、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等）和樹脂復(fù)合而成，一般天然纖維由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素3類物質(zhì)組成，其中纖維素可占一半以上。該復(fù)合材料具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)密度比玻璃纖維小，加工能耗低，對(duì)設(shè)備磨損?。毁Y源豐富，節(jié)約木材，節(jié)能環(huán)保。目前用天然纖維填充的塑料制品已應(yīng)用在建材、家具、包裝材料、裝飾材料等領(lǐng)域，特別是近年來從防治病蟲害傳播角度考慮，減少了用木材作為包裝材料，而使用天然纖維填充制成的復(fù)合塑料制品，其市場(chǎng)越來越大。同時(shí)人們對(duì)不同的天然纖維填充塑料的結(jié)構(gòu)與性能的研究也產(chǎn)生了很大的興趣［１－４］。我國(guó)生物質(zhì)原料很豐富，僅農(nóng)作物秸稈（包括玉米秸稈、小麥秸稈和稻草等）每年高達(dá)７億ｔ。只有其中一小部分秸稈被用作飼料、造紙等用途，還普遍存在著原料利用率低的問題。每年約有２億ｔ秸稈被就地焚燒，造成了巨大的資源浪費(fèi)和嚴(yán)重的環(huán)境污染［５，６］。因此這里分別使用４種不同的天然纖維（木粉、稻糠、稻草及甘蔗渣）與高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）復(fù)合做成聚烯烴／天然纖維復(fù)合材料樣品，進(jìn)行性能測(cè)試，以期發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，指導(dǎo)該類復(fù)合材料的生產(chǎn)。

１材料與方法

１．１材料

１．１．１材料與試劑ＰＰ（ＰＰＫ８３０３）、ＨＤＰＥ（６１００Ｍ），北京燕山石化公司；天然纖維，采自農(nóng)業(yè)廢棄物；超細(xì)滑石粉，８００目滑石粉，遼寧海城市合成微細(xì)石粉廠；乙醇，化學(xué)純，河南大學(xué)化工廠；氫氧化鈉，分析純，武漢市江北化學(xué)試劑有限責(zé)任公司；硅烷（ＫＨ５７０、ＫＨ５６０、ＫＨ５５０等），武漢華昌有機(jī)硅有限公司。

１．１．２儀器與設(shè)備ＳＸＫ－１６０Ｂ×３３０型開放式煉膠機(jī)，福建永春輕工機(jī)械廠；ＺＨＹ－Ｗ型萬能制樣機(jī)，ＸＣＪ－４型簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，河北承德材料試驗(yàn)機(jī)廠；ＳＬ－４５型壓力成型機(jī)，上海第一橡膠機(jī)械廠；ＱＬＢ－３５０×３５０×２型平板硫化機(jī)，江蘇無錫第一橡塑機(jī)械設(shè)備廠；ＸＬ－１００Ａ型拉力試驗(yàn)機(jī)，廣州實(shí)驗(yàn)儀器廠；ＣＳ１０１－２型電熱鼓風(fēng)干燥箱，重慶四達(dá)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；ＸＪＺ－６型正置式金相顯微鏡，南京儀器廠。

１．２方法

1.2.1工藝流程復(fù)合材料制樣工藝流程如下。

天然纖維預(yù)處理→配料→高速混料→混煉→壓片→制樣→性能測(cè)試

１．２．2天然纖維的預(yù)處理將天然纖維置于１４０ ℃下連續(xù)烘干３ ｈ，以除去天然纖維中易揮發(fā)、易分解的組分，使天然纖維軟化分離；用合適濃度的ＮａＯＨ溶液浸泡蔗渣４０ ｈ，攪拌揉搓用去離子水沖洗干凈，干燥，磨碎天然纖維過１００目篩。取用乙醇稀釋適量的硅烷復(fù)合偶聯(lián)劑，與未經(jīng)過表面處理的天然纖維高速攪拌均勻，置于１００ ℃烘箱中干燥３ ｈ，即為預(yù)處理的改性天然纖維。其流程如下。

纖維→烘干磨碎→堿泡→揉搓水洗→表面偶聯(lián)→改性纖維

１．２．3復(fù)合材料的制備?。保埃胺輼渲校谢騂DＰＥ分別與適量預(yù)處理的天然纖維混合均勻，加入５份滑石粉，高速混合５ ｍｉｎ，出料待用。在雙輥開煉機(jī)上混合約１０ ｍｉｎ，溫度１８５ ℃。在平板硫化機(jī)上熱壓成型，熱壓溫度１９０ ℃，預(yù)熱時(shí)間 ３ ｍｉｎ，加壓時(shí)間 4 ｍｉｎ，壓力１０ ＭＰａ，冷壓５ ｍｉｎ，最后按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制備各項(xiàng)性能測(cè)試樣條。

１．２．4性能測(cè)試?yán)煨阅馨矗牵拢?１６４２１－１９９６測(cè)試，試驗(yàn)速度為５０ ｍｍ／ｍｉｎ。抗沖擊性能按ＧＢ／Ｔ １０４３－１９９３測(cè)試簡(jiǎn)支梁缺口沖擊強(qiáng)度，低溫樣條置于－１５ ℃下冷凍４８ ｈ，取出后馬上測(cè)試。彎曲性能按ＧＢ／Ｔ ９３４１－２０００測(cè)試，試驗(yàn)速度為２ ｍｍ／ｍｉｎ。熱變形溫度按ＧＢ／Ｔ １６３４－１９７９測(cè)試，升溫速率為

３ ℃／ｍｉｎ。

１．２．5形態(tài)分析將試樣切片通過金相顯微鏡做相差觀察，鏡頭放大倍數(shù)均為２００倍。

２結(jié)果與分析

２．１性能分析

天然纖維材料中纖維素含量越高，利用價(jià)值越大。但是木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣這幾種組分中，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在生長(zhǎng)過程中是緊密交織、鑲嵌在一起的。因此，若要加以利用，發(fā)揮天然纖維的復(fù)合效果，首先要進(jìn)行預(yù)處理。利用機(jī)械及化學(xué)作用把植物的組織部分打碎和分解，將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素這三大組分盡可能多地同時(shí)利用，保證絕大多數(shù)資源不被浪費(fèi)，同時(shí)還應(yīng)減少?gòu)U水排出，降低對(duì)環(huán)境的污染。此外，稻糠和稻草表皮還富集大量的ＳｉＯ２，不利于復(fù)合材料的成型，也應(yīng)除去。纖維揉搓是盡可能地利用物理方法進(jìn)行搓揉加工，梳理出長(zhǎng)短、粗細(xì)不同的纖維，提高長(zhǎng)徑比，通過該方法處理可以將該類天然纖維制成長(zhǎng)度控制在１ ｍｍ以內(nèi)、長(zhǎng)徑比超過５的有機(jī)纖維。

纖維素的主要成分是高分子葡聚糖，天然纖維表面存在大量的羥基，羥基具有強(qiáng)親水性，而常用的高分子樹脂一般均為親油性。因此要提高天然纖維與樹脂基體的表面相互作用，必須采用改性的方法。也就是封閉天然纖維表面的羥基，將其從親水性改為親油性，做到與樹脂的相容。

４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度相近（表１）。其中采用稻草纖維和稻糠纖維制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能稍低，這可能與兩種天然纖維中纖維素含量稍低，同時(shí)其纖維的長(zhǎng)徑比也較低、剛性小有關(guān)；采用這兩種纖維所得的復(fù)合材料的沖擊韌性均在４～6 ｋＪ／ｍ２，拉伸強(qiáng)度１８～２7 ＭＰａ，其中以木粉復(fù)合材料力學(xué)性能最高，甘蔗渣復(fù)合材料次之，稻草和稻糠復(fù)合材料稍差。４種ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料的熱變形溫度均有顯著的提高，并且以稻糠復(fù)合材料提高得最為顯著，較稻草纖維高出6.5 ℃。

４種不同的ＰＰ／天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度也較相近（表２），且其變化趨勢(shì)與ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料相似。ＰＰ基復(fù)合材料與ＨＤＰＥ基復(fù)合材料都具備密度低、拉伸強(qiáng)度高、彎曲強(qiáng)度大、力學(xué)性能好的特點(diǎn)，是以塑代木的良好備選材料。但是ＨＤＰＥ基復(fù)合材料熱變形溫度在１００ ℃左右，對(duì)耐熱環(huán)境應(yīng)用不利，而ＰＰ基復(fù)合材料熱變形溫度高于１２５ ℃，能適用于室內(nèi)外絕大多數(shù)環(huán)境。ＨＤＰＥ基復(fù)合材料比較柔軟，室溫及低溫沖擊強(qiáng)度均較ＰＰ基復(fù)合材料大，作為代木材料使用時(shí)適用于易受沖擊的環(huán)境。

２．２相差分析

由圖１中的相差照片可以看出，在４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料中，纖維形態(tài)都保留良好，表面的纖維和樹脂分布較均勻，這說明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的充分浸潤(rùn)粘合，增強(qiáng)了天然纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的黏結(jié)性，從而提高了材料的力學(xué)性能。天然纖維改性以后，界面黏結(jié)性得到了提高，改善了天然纖維在樹脂基體中的分散狀態(tài)［７，８］。同時(shí)，纖維的長(zhǎng)徑比較大，互相容易纏繞，這種分散結(jié)構(gòu)也有利于應(yīng)力在復(fù)合材料中的傳遞。

還可以在圖１ａ中發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中分散的稻草纖維較其他幾種纖維稍粗大且直徑不太均勻，圖１ｃ中發(fā)現(xiàn)分散的稻糠纖維較其他幾種纖維的長(zhǎng)徑比稍小。這種不均勻性可能是這兩類天然纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能稍低于木粉纖維的一個(gè)原因。

３結(jié)論

采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣４種不同的天然纖維先進(jìn)行預(yù)處理，再與ＨＤＰＥ、ＰＰ復(fù)合的方法，成功地制備出聚烯烴／天然纖維復(fù)合材料。

４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料的物理機(jī)械性能及熱變形溫度相近，以木粉填充復(fù)合材料力學(xué)性能最高，甘蔗渣填充復(fù)合材料次之，稻草纖維和稻糠纖維稍差，而稻糠纖維復(fù)合材料具備最高的熱變形溫度。ＰＰ／天然纖維復(fù)合材料與ＨＤＰＥ／天然纖維復(fù)合材料有相似的變化規(guī)律。

通過相差分析發(fā)現(xiàn)，在天然纖維制備的復(fù)合材料中，纖維和樹脂分布均勻，這表明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎(chǔ)樹脂之間的充分浸潤(rùn)粘合。而稻糠纖維與稻草纖維的質(zhì)量稍次于木粉纖維與甘蔗渣纖維。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 史興華． 木塑復(fù)合材料的市場(chǎng)發(fā)展［Ｊ］．玻璃鋼，２００９（２）：３６－３８．

［２］ 肖亞航，傅敏士． ＰＰ／秸稈復(fù)合材料的熱壓成型工藝研究［Ｊ］． 工程塑料應(yīng)用，２００５，３３（１）：３４－３７．

［３］ 張正紅，趙曉亞．聚氯乙烯木塑復(fù)合材料加速老化性能的研究［Ｊ］． 塑料科技，２００９，３７（３）：５６－５８．

［４］ 焦富強(qiáng)． 天然植物纖維填充熱塑性塑料的研究概況［Ｊ］． 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)，２００９（６）：２４９－２５０．

［５］ 陳洪章． 秸稈資源生態(tài)高值化理論與應(yīng)用［Ｍ］． 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，２００６．５－１７．

［６］ 李延云． 農(nóng)作物秸稈飼料加工技術(shù)［Ｍ］． 北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，２００６．３０－４４．

［７］ ＦＵＪＩＩ Ｔ，ＱＩＮ Ｔ Ｆ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ sｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ cｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｏｆ wｏｏｄ ａｎｄ pｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ［Ｊ］． Ｂｕｌｌｅｔｉｎ ｏｆ ＦＦＰＲＩ，２００２（１）： １１５－１２２．

［８］ 鄭玉濤，陳就記，王東山，等． 偶聯(lián)劑與甘蔗渣／ＰＶＣ復(fù)合材料性能的研究［Ｊ］．中國(guó)塑料，２００５，１９（６）：９４－９８．