竹粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料性能研究

周 鋼 ，喻云水 ，2，吳慶定 ，姚 靜

竹粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料性能研究

周 鋼1，喻云水1，2，吳慶定1，姚 靜1

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2. 竹業(yè)湖南省工程研究中心，湖南 長沙 410004)

研究了竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，對其多項(xiàng)性能進(jìn)行測試。采用雙輥開煉機(jī)進(jìn)行復(fù)合材料的共混制備；熔融指數(shù)儀測定不同配比復(fù)合材料的流動(dòng)性；注塑成型機(jī)制備各種標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣；拉力試驗(yàn)機(jī)和沖擊試驗(yàn)機(jī)測試力學(xué)性能。結(jié)果表明隨著竹粉含量的增加，材料熔融流動(dòng)性大大降低；沖擊強(qiáng)度下降明顯；拉伸強(qiáng)度首先上升，在竹粉含量超過30%后又下降；注塑成型制品收縮率下降。

竹粉；高密度聚乙烯；復(fù)合材料；性能研究

近年來，隨著復(fù)合材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用木粉等生物質(zhì)材料增強(qiáng)熱塑性塑料復(fù)合材料已成為21世紀(jì)新材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一[1-2]。木粉或竹粉資源豐富、價(jià)格低廉；制備復(fù)合材料時(shí)耗能少，對加工設(shè)備的損耗?。磺夷痉刍蛑穹圩钔怀龅奶攸c(diǎn)就是具有生物降解性，這是其他增強(qiáng)材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。以木粉或竹粉與熱塑性材料制備復(fù)合材料可以大大降低材料成本，易于被消費(fèi)者接受。竹材是一種優(yōu)良的高性能天然生物質(zhì)材料，具有極佳的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，我國竹材資源豐富，現(xiàn)有竹林總面積420萬hm2，竹材產(chǎn)量居世界第一。以竹代木，依靠科技創(chuàng)新拓展竹材應(yīng)用領(lǐng)域是緩解森林木材資源貧乏、改善生態(tài)環(huán)境的有效措施。因此，竹塑復(fù)合材料的研究順應(yīng)了21世紀(jì)材料發(fā)展與環(huán)境相協(xié)調(diào)的要求。利用竹粉與熱塑性塑料復(fù)合制備質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的材料對促進(jìn)我國各行業(yè)的發(fā)展[5-6]，減輕廢舊塑料對環(huán)境造成的污染，改造傳統(tǒng)的竹材產(chǎn)業(yè)，提高附加值，具有積極的意義。開展對竹塑復(fù)合材料性能研究無疑是應(yīng)用竹塑復(fù)合材料的首要工作，復(fù)合材料性能同材料處理改性方法及各組分比例的關(guān)系也是我們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料Table 1 Experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Table 2 Experimental equipments

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 竹粉處理

竹粉過14目篩，經(jīng)過蒸餾水洗滌和堿處理后在103 ℃下干燥6 h備用。

1.3.2 相容劑HDPE-g-MA的制備

將高密度聚乙烯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)94.4%)、馬來酸酐(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)和復(fù)配方引發(fā)劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.45% DCP和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.15% BPO)混合均勻，加入雙螺桿擠出機(jī)中，擠出機(jī)加熱段溫度控制在160～190 ℃間，經(jīng)過擠出、拉絲、造粒制得馬來酸酐接枝HDPE。

1.3.3 竹塑復(fù)合材料制備

按表3配方分組制備竹粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料。

將雙輥開煉機(jī)加熱30 min，調(diào)節(jié)雙輥間距不超過4 mm。開動(dòng)開煉機(jī)，將HDPE與相容劑混勻，傾倒在雙輥之間，將混合物在開煉機(jī)上混煉熔融。待塑料顆粒熔融后，將竹粉均勻撒在塑料熔體上，并加入適量硬脂酸增塑劑，通過雙輥開煉機(jī)進(jìn)行混煉、捏合，并視混煉效果隨時(shí)調(diào)整雙輥間距。直至各組分混合均勻約1 min后，趁熱用小鏟刀將混合料刮下。待冷卻后用破碎機(jī)破碎至尺寸低于5 mm的顆粒。

表3 竹粉/HDPE配比?Table 3 Bamboo powder/HDPE ratio

1.3.4 試樣制備

將制備的竹塑復(fù)合材料顆粒在烘箱中85 oC下干燥處理8 h，除去水分等雜質(zhì)。然后采用注塑成型機(jī)加工出標(biāo)準(zhǔn)的拉伸和沖擊力學(xué)性能測試樣條。注塑成型加工溫度參數(shù)如表4所示。

表4 注塑成型溫度參數(shù)Table 4 Temperature parameters of injection processing

1.3.5 性能測試

將試樣置于室溫中24 h后，用游標(biāo)卡尺測量尺寸變化，計(jì)算試樣收縮率。

復(fù)合材料其他性能測試分別按下列標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：熱塑性塑料熔體流動(dòng)速率，GB/T 3682-2000，負(fù)荷2 160 g，溫度190 ℃；塑料拉伸試驗(yàn)方法，GB/T 1040.2-2006，拉伸速度為1.0 mm/min；塑料簡支梁缺口沖擊試驗(yàn)方法，GB/T 1043-93，沖擊能量為7.5 J。

2 結(jié)果與討論

2.1 竹粉含量對復(fù)合材料熔體流動(dòng)性的影響

由圖1可見，隨著竹粉含量的增加，復(fù)合材料熔體流動(dòng)性大幅度的下降。擠出成型隨著竹粉含量增加而擠出困難，同樣在注塑成型加工時(shí)熔體充模困難，往往出現(xiàn)樣條缺料、形狀不完整的缺陷，使得竹粉添加比例難以超過40%?？梢圆扇√砑佑仓?、聚乙烯蠟增塑劑等方法改善熔體流動(dòng)性。

圖1 竹粉含量對復(fù)合材料熔體流動(dòng)性的影響Fig. 1 Effects of bamboo powder content on melt fluidity of composites

2.2 竹粉含量對復(fù)合材料收縮率的影響

由圖2可見，隨著竹粉含量的增加，復(fù)合材料收縮率下降明顯。由于竹粉在冷卻中收縮變形不明顯，而HDPE隨熔體冷卻收縮較大，因此竹粉的存在阻礙了復(fù)合材料的收縮，致使收縮率下降。這說明隨竹粉含量增加，制品在熔融加工過程中的尺寸穩(wěn)定性、尺寸精度得到提高。

圖2 竹粉含量對復(fù)合材料收縮率的影響Fig. 2 Effects of bamboo powder content on shrinkage Percentage of composites

2.3 竹粉含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

由圖3可見，隨著竹粉比例增加，竹塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度呈明顯上升趨勢，說明竹粉在HDPE基體中起到了增強(qiáng)體的作用。但當(dāng)竹粉含量超過30%，拉伸強(qiáng)度下降。這是由于隨著竹粉比例上升，由于兩組分之間的界面相容性問題，導(dǎo)致了界面間結(jié)合力下降，致使強(qiáng)度下降[7]。

圖3 竹粉含量對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig. 3 Effects of bamboo powder content on tensile strength of composites

2.4 竹粉含量對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

由圖4可見，隨著竹粉含量增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度先呈下降趨勢。當(dāng)高于20%，未超過30%時(shí)，沖擊強(qiáng)度下降數(shù)值維持不變，高于30%后又呈現(xiàn)明顯下降。認(rèn)為竹粉分散在基體材料HDPE中時(shí)，由于兩相之間界面相容性并沒有達(dá)到理想的狀態(tài)，在承受沖擊破壞時(shí)，竹粉在基體材料中成為應(yīng)力集中源，使得沖擊強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢。

圖4 竹粉含量對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effects of bamboo powder content on impact strength of composites

3 結(jié) 論

(1)竹粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料熔體流動(dòng)性能隨竹粉含量增加而下降的趨勢明顯，致使材料加工工藝性能變差。為改善流動(dòng)性，便于熱成型加工，可添加適量的硬脂酸、聚乙烯蠟等增塑劑。

(2)復(fù)合材料的注塑成型收縮率隨竹粉含量增加而下降，使得制品在熔融加工過程中的尺寸穩(wěn)定性、尺寸精度得到提高。

(3)在竹粉含量低于30%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度隨竹粉含量增加而上升，超過30%后開始下降，這說明竹粉含量過大導(dǎo)致界面相容性變差，對材料拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

(4)隨竹粉含量增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降較快，這是由于竹粉分散在基體材料HDPE中時(shí)，兩相之間界面相容性并沒有達(dá)到理想的狀態(tài)，在承受沖擊破壞時(shí)，竹粉在基體材料中成為應(yīng)力集中源，使得沖擊強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降趨勢。

(5)在制備竹塑復(fù)合材料時(shí)，界面相容性問題對材料性能產(chǎn)生較大影響[8-9]。解決相容性的關(guān)鍵問題是如何使親水的強(qiáng)極性竹粉表面與疏水的非極性的塑料基體界面之間具有良好的結(jié)合力，從而使竹粉表面層與塑料基體的表面層之間達(dá)到分子級的融合。如何提高界面結(jié)合力，探索界面結(jié)合機(jī)理將是我們今后工作的主要方向。

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Study on the performance of bamboo powder and HDPE composites

ZHOU Gang1, YU Yun-shui1,2, WU Qing-ding1, YAO Jing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan, China)

The processing technology of bamboo powder and HDPE composites was studied, and several performances of the composites were tested. The composites were prepared by blending bamboo powder with HDPE, using double-roll open mill. The melt fluidity of different ratio composite materials was measured by the fusion index instrument. Various standard mechanical property samples were made by injection forming machine. The mechanics performances of the composites samples were tested by tensile testing machine and impact testing machine. The results show that as the bamboo powder content ratio rose, the composites melt fluidity declined greatly;the impact strength dropped obviously; the tensile strength ascended at first, then it went down when the bamboo powder content ratio exceeded 30 percent, and the shrinkage percentage of injection products decreased.

bamboo powder; HDPE; composites; performance study

S784

A

1673-923X(2012)01-0113-04

2011-11-20

湖南省科技重大專項(xiàng)(2011FJ1006)；湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (09JJ6071)；湖南省教育廳高校產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(11cy027)；中南林業(yè)科技大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2009032B)；中南林業(yè)科技大學(xué)木材科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目

周 鋼(1969—)，男，江蘇徐州人，副教授，博士研究生，主要從事高分子材料與工程專業(yè)的教學(xué)及科研；

E-mail：newavi@163.com

喻云水(1964 —)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)及科研

[本文編校：歐陽欽]