杜仲翅果殼粉/PVC復合材料力學性能研究

李春霞 沈 梅 辛振祥*

(青島科技大學)

杜仲是我國特有的經濟樹種資源，在我國擁有廣泛的種植面積，天然杜仲膠在杜仲翅果殼、葉子以及樹皮中以絲狀物的形式存在，其中杜仲翅果殼中的含膠率最高，達到12% ～15%［1］。杜仲膠又名古塔波膠，其化學組成與天然橡膠相同，只是分子構型上存在順、反的差異，天然橡膠是順式-聚異戊二烯，而杜仲膠是反式-聚異戊二烯［2］。目前對于杜仲膠的提取方法有很多，例如嚴瑞芳［3］等采用苯-甲醇法提取杜仲葉子中的杜仲膠，陸志科［4］等采用甲苯法提取杜仲膠，張學?。?］等采用石油醚-乙醇法提取杜仲膠，雖然對于杜仲膠的提取已做了大量的研究，但是杜仲膠的提取率低，提取成本高一直限制著杜仲膠提取的工業(yè)化生產，從而使其應用受到制約。

木塑復合材料是以木纖維或植物纖維為主要組分，經過預處理使之與熱塑性樹脂或其它材料復合而成的一種新型材料［6］。杜仲翅果殼中含有大量的植物纖維可與PVC共混制備木塑復合材料，同時杜仲翅果殼中含有一定量的杜仲膠可改善木塑復合材料的性能，因此采用機械粉碎的方法將杜仲翅果殼粉碎、篩選與PVC共混制備木塑復合材料，希望能通過制備木塑復合材料來拓寬杜仲膠的使用范圍，為杜仲膠的開發(fā)利用提供了一種新思路。因此本文研究了杜仲翅果殼的用量、粒徑等對復合材料的力學性能、加工性能的影響，以期為杜仲膠的應用及木塑復合材料新產品的開發(fā)提供理論支持及技術指導。

1 實驗

1.1 主要原材料

聚氯乙烯(PVC，HS-1000)，青島海晶化工集團有限公司。杜仲翅果殼(含膠率為14.15%)，河南恒瑞源實業(yè)有限公司。硬脂酸，穩(wěn)定劑，鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)，市售。

1.2 基本配方

表1 試驗配方

1.3 主要設備和儀器

表2 實驗設備

1.4 試樣制備

將杜仲翅果殼經粉碎機粉碎后，篩選，烘干，待用。

將高速混合機升溫至90℃，轉速設為150r/min，將PVC及其它原料一并投入高速混合機中攪拌10分鐘，排出待用。

將開煉機升溫至150℃，輥距設為1mm，對混合好的原料進行塑煉，左右割刀三次，混合均勻后下片，停放待用。

稱取150克塑化好的原料，置于模具中，160℃ ×10MPa條件下在平板硫化機中預熱10分鐘，模壓2分鐘，取出后冷壓10分鐘，停放待用。

1.5 性能測試

拉伸強度按照標準GB/T I040.2-2006進行測試。彎曲強度按照標準GB/T 9341-2008進行測試。沖擊強度按照標準GB/T 1843-2008進行測試。

2 結果和討論

2.1 杜仲翅果殼中杜仲膠的分子量及分子量分布

通過對杜仲翅果殼中杜仲膠的提取，得到杜仲翅果殼的含膠率為14.15%，GPC曲線測得杜仲膠的重均分子量在4萬左右。

圖1 天然杜仲橡膠的GPC曲線

表3 天然杜仲橡膠不同預處理方法的分子量大小及分布對比

由圖1和表3可以看出，經過超微粉碎的杜仲翅果殼具有較小的分子量和較窄的分子量分布，分析原因認為是杜仲膠絲在機械外力的作用下，被破壞成為較短小的分子鏈，也在很大程度上降低了杜仲膠的分子量，并且造成分子量分布較窄的現(xiàn)象。

2.2 DOP對杜仲翅果殼/PVC復合材料性能的影響

DOP對杜仲翅果殼/PVC復合材料性能的影響如下圖所示:

圖2 DOP對杜仲翅果殼/PVC復合材料性能的影響

從圖2(a)可以看出，隨著杜仲翅果殼粉用量的增加復合材料的拉伸強度出現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象，當杜仲翅果殼粉用量從0份增加到80份時，未加DOP的復合材料的拉伸強度下降的程度較大。分析原因認為是開始時隨著杜仲翅果殼用量的增加，杜仲翅果殼團聚現(xiàn)象增加，受力時造成試樣的應力集中點增多，導致試樣的拉伸強度呈現(xiàn)下降的趨勢，而后隨著杜仲翅果殼用量的增加，杜仲翅果殼中木質素上的極性基團改善其與PVC之間的分散，同時杜仲翅果殼中杜仲膠的含量的增加，改善試樣的拉伸強度，使試樣的性能下降速度減緩。DOP作為一種增塑劑，可以明顯降低PVC基復合材料的加工溫度，改善杜仲翅果殼粉在PVC基體中的分散性，但是DOP的加入明顯降低了PVC分子間的相互作用，導致復合材料的拉伸強度下降。

從圖2(b)可以看出，隨著杜仲翅果殼粉用量的增加，復合材料的彎曲強度基本不變，當相同杜仲翅果殼粉用量時，添加DOP復合材料的彎曲強度明顯較未加DOP復合材料低。分析原因認為是DOP的加入降低PVC分子間的相互作用，導致添加DOP后復合材料的彎曲強度明顯降低。

從圖2(c)可以看出，隨著杜仲翅果殼用量的增加，未加DOP與加DOP復合材料的沖擊強度均隨著杜仲翅果殼粉用量的增加，出現(xiàn)先降低后趨于平穩(wěn)的趨勢，當杜仲翅果殼粉用量從0份增加到80份時，未加DOP的復合材料的沖擊強度下降的程度較大。分析原因認為是開始時隨著杜仲翅果殼用量的增加，受力時應力集中點不斷增加，導致試樣的沖擊強度下降明顯，DOP的加入降低了PVC分子間的作用力，改善復合材料的沖擊強度，提高材料的韌性。

從圖2(d)可以看出，隨著杜仲翅果殼粉用量的增加，復合材料的硬度基本保持不變。DOP的加入明顯降低了復合材料的硬度。

2.4 杜仲翅果殼用量及目數(shù)對杜仲翅果殼/PVC復合材料性能的影響

杜仲翅果殼用量及目數(shù)對杜仲翅果殼/PVC復合材料性能的影響如下圖所示:

從圖3(a)可以看出，隨著杜仲翅果殼用量的增加，杜仲翅果殼/PVC復合材料的拉伸強度逐漸降低，當杜仲翅果殼用量在20-60份之間時，添加60目杜仲翅果殼制備的復合材料的拉伸強度較30目杜仲翅果殼制備的復合材料高。這主要是因為30目的杜仲翅果殼相對于60目的杜仲翅果殼擁有較大的長徑比，較大的粒徑在基體中容易形成空洞缺陷，導致杜仲翅果殼與PVC基體之間的黏結強度降低，在外力的作用下容易與PVC基體脫離，使得復合材料的性能下降，同時隨著杜仲翅果殼粉用量的增減復合材料產生的應力集中點增減導致復合材料性能的降低。

從圖3(b)可以看出，隨杜仲翅果殼用量的增加，復合材料的彎曲強度逐漸增加，杜仲翅果殼用量相同時，30目杜仲翅果殼制備的復合材料的彎曲強度較60目杜仲翅果殼制備的復合材料高。分析原因認為是30目的杜仲翅果殼比60目的杜仲翅果殼擁有較大的長徑比，可以提高復合材料的彎曲強度，雖然較大的長徑比會在基體中形成空洞缺陷，影響復合材料的性能，但是隨著杜仲翅果殼用量的增加，復合材料中應力集中區(qū)域增加，杜仲翅果殼的位阻效應增強，導致復合材料的彎曲強度提高。30目的杜仲翅果殼較60目的杜仲翅果殼會與PVC基體間形成較大的應力集中區(qū)域，增強杜仲翅果殼的位阻效應，導致30目杜仲翅果殼的彎曲強度高于60目杜仲翅果殼的彎曲強度。

從圖3(c)可以看出，隨著杜仲翅果殼用量的增加，復合材料的沖擊強度明顯降低，當杜仲翅果殼用量低于40份時，60目杜仲翅果殼制備的復合材料的沖擊強度降低程度較大，當杜仲翅果殼用量超過40份后相同用量時不同目數(shù)杜仲翅果殼制備的復合材料的沖擊強度相差不大。分析原因認為是60目杜仲翅果殼的粒徑小于30目杜仲杜仲翅果殼的粒徑，小粒徑的杜仲翅果殼容易產生團聚現(xiàn)象，導致杜仲翅果殼與PVC之間的受力缺陷增多，沖擊強度下降明顯，隨著杜仲翅果殼的用量的增加團聚現(xiàn)象得到緩解，60目杜仲翅果殼的復合材料與30目杜仲翅果殼的復合材料的沖擊強度基本相當。

從圖3(d)可以看出，隨著杜仲翅果殼用量的增加，復合材料的硬度變化不大。同時杜仲翅果殼粒徑的大小對于試樣的硬度影響不大。

3 結論

本文考察了杜仲翅果殼粉的用量，粒徑及DOP的用量對杜仲翅果殼粉/PVC復合材料性能的影響，結果表明:

(1)DOP的加入可改善杜仲翅果殼粉/PVC復合材料的加工性能，但是對杜仲翅果殼粉/PVC復合材料的力學性能有不利影響;

(2)杜仲翅果殼粉的用量對杜仲翅果殼粉/PVC復合材料的性能研究說明，隨杜仲翅果殼用量的增加，拉伸強度、沖擊強度呈現(xiàn)下降趨勢，彎曲強度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，硬度變化不大;

(3)杜仲翅果殼粉的粒徑對杜仲翅果殼粉/PVC復合材料的性能影響不大。

［1］傅玉成，連香姣.杜仲膠的改性與應用［J］.橡膠工業(yè)，1993，40(4):247-248

［2］嚴瑞芳，胡漢杰.杜仲膠的研究與開發(fā)［J］.中國科學基金，1994，1:51-54

［3］嚴瑞芳，楊道安，薛兆弘，等.一種提取杜仲膠的方法［P］.中國專利:1088508，1994，—06—29.

［4］陸志科，謝碧霞，等.杜仲膠提取方法的研究［J］.福建林學院學報，2004，24(4):353-356

［5］張學俊，周禮紅，等.杜仲葉和皮中杜仲膠提取的研究［J］.貴州工業(yè)大學學報(自然科學版)，2001，30(6):11-14

［6］于文東，孫振國，雷湘軍.具有發(fā)展前途的木塑復合材料［J］.化學建材，2004，(9):14