短纖維增強(qiáng)型聚丙烯基復(fù)合材料的性能研究*

肖 瑞，李曉平，吳章康

(云南省木材膠黏劑及膠合制品重點(diǎn)實驗室，西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明650224)

木塑復(fù)合材料是一種具有塑料和木材雙重特性的新型材料，可普遍應(yīng)用于建筑、家具和汽車制造等領(lǐng)域，具有可回收再利用的特性，成為目前的研究熱點(diǎn)［1］。木塑復(fù)合材料的制備過程就是一個木質(zhì)材料與塑料均勻混合后在高溫高壓條件下經(jīng)過擠出、平壓或注塑成型制成產(chǎn)品的制備過程［2］。影響木塑復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素就是原料形態(tài)以及木質(zhì)材料與塑料之間的混合性和兩者之間的相容性［3～4］。目前，由于木粉和塑料的混合比起木纖維和塑料的混合相對來說更容易，所以目前木塑復(fù)合材料的制備以木粉填充為主，但木粉不具有纖維形態(tài)，在木塑復(fù)合材料中起到的主要作用是填充而不是增強(qiáng)，為了使木質(zhì)材料不僅可以起到填充作用還能起到增強(qiáng)作用，就必須保留纖維的原始狀態(tài)，以達(dá)到增強(qiáng)木塑復(fù)合材料機(jī)械性能的目的。

目前，對于利用木纖維代替木粉制備木塑復(fù)合材料，長纖維在國內(nèi)外有較多的研究，而利用短纖維的研究國內(nèi)外的報道比較少。長纖維增強(qiáng)的木塑復(fù)合材料通常被用來制備結(jié)構(gòu)材料或者汽車擋板，當(dāng)利用韌皮型長纖維來制備木塑復(fù)合材料時，則將長纖維織成布、紡成紗，然后將塑料制備成薄膜或者抽成絲，以解決塑料和纖維無法混合均勻的問題［5～6］。國內(nèi)外學(xué)者利用短纖維作為增強(qiáng)材料制備木塑復(fù)合材料的研究表明，由于纖維具有一定的長度，故纖維在木塑復(fù)合材料的制備中可以起到很好的增強(qiáng)作用［7～9］，但是目前還沒有一個很好的混合方法可以將短纖維和塑料比較均勻的混合在一起。當(dāng)熱塑性聚合物同纖維木質(zhì)材料混合，混合物的熔體流動性往往會下降并且其加工也變得困難，對于纖維素含量高的復(fù)合材料這種趨勢更加明顯。纖維的長度和分布在基于纖維的產(chǎn)品的加工和機(jī)械性能中發(fā)揮著重要作用，機(jī)械性能隨著纖維長度增加而增強(qiáng)，而吸水性能下降。木纖維尺寸對木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能也產(chǎn)生影響，小尺寸的木纖維在木塑復(fù)合材料發(fā)泡中提供了更好的發(fā)泡性能［10］;利用纖維制備木塑復(fù)合材料，最大的難題就是原料共混，經(jīng)過前期研究，在已經(jīng)初步解決短纖維與塑料之間共混并申請了國家發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步分析不同原料配比、板材密度對纖維增強(qiáng)型木塑復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響;另外，堿處理是改善木塑復(fù)合材料膠合界面和提高木塑復(fù)合材料物理力學(xué)性能的重要手段［11～12］，論文將進(jìn)一步研究堿處理對纖維增強(qiáng)型木塑復(fù)合材料的影響，為制備出優(yōu)質(zhì)的纖維增強(qiáng)型木塑復(fù)合材料奠定基礎(chǔ)?？傊狙芯康哪康木褪且远汤w維為增強(qiáng)材料聚丙烯樹脂為基質(zhì)，制備出一種相比木質(zhì)或非木質(zhì)粉狀木塑復(fù)合材料，物理力學(xué)性能更優(yōu)、質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高的新型木塑復(fù)合材料，同時改善和優(yōu)化木塑復(fù)合材料的制備工藝。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

木材刨花 桉樹 (Eucalyptus)的木材刨花，由昆明新飛林人造板有限公司提供，后在實驗室制備成纖維，纖維的長度為0．5～1．5 mm。

工業(yè)大麻桿 大麻 (Cannabis sativa)稈來自云南工業(yè)大麻股份有限公司的“云麻一號”，纖維自制，纖維長度為0．3～1．1 mm。

聚丙烯樹脂 白色，無味固體，熔點(diǎn)165～170℃，抗拉強(qiáng)度≥500 MPa，彈性模量≥3 850 MPa，市購。

NaOH 固體顆粒狀，分析純，市購。

1.2 試驗方法

(1)纖維制備 工業(yè)大麻稈、木材刨花含水率40%～50%，將工業(yè)大麻稈破碎成長度為10～20 mm的碎料，然后分別將大麻稈碎料和木屑置于100～110℃條件下蒸煮2-3 h，對蒸煮軟化后的碎料進(jìn)行熱磨，磨盤間隙為0．5～0．8 mm，分別得到工業(yè)大麻稈纖維和木纖維，纖維干燥至含水率為10%左右。

(2)板材制備 熱壓參數(shù)為起始熱壓壓力9～10 MPa，兩次卸壓;熱壓時間10 min;熱壓溫度190℃;板材幅面長×寬250 mm×250 mm;板材目標(biāo)厚度4 mm。同一工藝下重復(fù)5次，制備5塊木塑復(fù)合材料。采用的設(shè)備為平板硫化機(jī) (青島鑫城一鳴橡膠機(jī)械有限公司生產(chǎn)，熱壓溫度為常溫～300℃，表壓力0～30 MPa)。

1.3 試驗設(shè)計

(1)同一工藝條件下，制備木纖維與聚丙烯不同配比的木纖維/聚丙烯復(fù)合材料，其木纖維占總質(zhì)量的百分比分別為30%、40%、50%、60%、70%;板材目標(biāo)密度0．55 g/cm3;確定最佳配料比。

(2)按照原料 (木纖維︰聚丙烯)配比為50︰50，在同一工藝條件下，制備不同密度的木纖維/聚丙烯復(fù)合材料，其復(fù)合材料的密度分別為0．55 g/cm3、0．60 g/cm3、0．65 g/cm3、0．70 g/cm3和0．83 g/cm35種密度。

(3)按照原料配比為50︰50，板材目標(biāo)密度0．83 g/cm3，同一工藝條件下，制備不同濃度堿處理的木纖維/聚丙烯和大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料，其中堿處理濃度分別為0、1%、3%和5%4種濃度。將木材纖維或者大麻稈纖維和濃度分別為1%、3%、5%的堿溶液按照質(zhì)量比為1︰100進(jìn)行混合，處理時間為1 h，處理溫度為100℃。

1.4 性能測試

按照國家標(biāo)準(zhǔn) (GB/T 17657-1999)測試其性能。分別測試復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨脹率 (每種試樣取5塊板材，重復(fù)測試20組，求平均值)。采用設(shè)備為萬能力學(xué)實驗機(jī) (日本島津公司)，可以測試塑料、金屬、木材等產(chǎn)品的抗彎、抗拉、拉伸、抗剪、抗壓等各項力學(xué)性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同原料配比對復(fù)合材料的物理力學(xué)性能的影響

不同原料配比的木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨脹率的測試結(jié)果見表1。

表1 不同原料配比復(fù)合材料的物理力學(xué)性能Tab．1 The physical and mechanical properties of composite of the different ratios

由表1可知，當(dāng)木纖維與聚丙烯的配比為30︰70時，復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的物理力學(xué)性能，隨著木纖維含量的增加，復(fù)合材料的物理力學(xué)性能呈下降趨勢。影響復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的原因可能是，木纖維含量的增加，容易出現(xiàn)木纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，使熔體流動性降低，成型困難。同時，木纖維含量的增加導(dǎo)致極性的木纖維和非極性的聚丙烯相容性不好，兩相界面黏合力薄弱。影響復(fù)合材料物理性能的主要原因是木纖維中含有大量親水的極性羥基，木纖維含量越大，木纖維/聚丙烯復(fù)合材料間的空隙越多，復(fù)合材料吸水越多［13～14］。其中，當(dāng)木纖維與聚丙烯的配比為30︰70時，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度和彈性模量最大分別為19．69 MPa和1 695．11 MPa，復(fù)合材料的吸水率和吸水厚度膨脹率最小分別為32．16%和1．96%。由于試驗設(shè)計中板材目標(biāo)密度僅為0．55 g/cm3，所以5種不同配比的復(fù)合材料的物理力學(xué)性能均達(dá)不到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，為了提高板材的力學(xué)性能，下面將進(jìn)一步研究不同密度對復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響。同時，綜合成本和復(fù)合材料的物理力學(xué)性能兩方面考慮，將以后研究中的復(fù)合材料的原料配比選定為50︰50。

2.2 不同密度對復(fù)合材料的物理力學(xué)性能的影響

按照原料配比為50︰50，不同密度的木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨脹率的測試結(jié)果見表2。

表2 不同密度復(fù)合材料的物理力學(xué)性能Tab．2 The physical and mechanical properties of composite of the different densities

由表2可知，隨著密度的增大，復(fù)合材料的力學(xué)性能總體呈遞增的趨勢。當(dāng)復(fù)合材料的密度為0．83 g/cm3時，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度最大。復(fù)合材料力學(xué)性能增強(qiáng)的原因是隨著復(fù)合材料密度的增加，復(fù)合材料的密實度增強(qiáng)。同時，木纖維作為剛性材料，隨著其填充量增加，復(fù)合材料抵抗外力的能力也增大。由于復(fù)合材料密實度的提高，木纖維/聚丙烯復(fù)合材料間的空隙減少，進(jìn)入復(fù)合材料里面的水分減少，吸水率降低。影響復(fù)合材料吸水厚度膨脹率的是木纖維的含水率、板材密度和含水率等因素綜合影響的結(jié)果［15～16］。當(dāng)板材密度為0．55 g/cm3時，板材的吸水厚度膨脹率最小，一方面原因可能是木材是親水性物質(zhì)，當(dāng)板材密度偏小時，板材的單位體積的木纖維含量較小，吸水性較差。另一方面原因可能是板材的密度較低，木纖維的塑性和可壓縮性較好，使得板材的彈性恢復(fù)能力減小，板材的吸水厚度膨脹率降低。

2.3 堿處理對短纖維增強(qiáng)型聚丙烯基復(fù)合材料物

理力學(xué)性能的影響

分別對木纖維和大麻稈纖維在一定條件下進(jìn)行不同濃度的堿處理，制備出木纖維/聚丙烯和大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料，觀察不同濃度的堿處理對兩種復(fù)合材料的物理力學(xué)性能的影響;分別見表3和表4所示。

(1)堿處理對木纖維/聚丙烯復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響。

表3 不同濃度堿處理木纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能Tab．3 The physical and mechanical properties of wood fiber reinforced composite of the different concentrations of alkali treatment

由表3可知，堿處理對木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有較大的改善。當(dāng)堿處理濃度從0%增加到5%時，復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度提高10．14%，彈性模量提高25．39%，24 h吸水厚度膨脹率降低43．11%。堿處理增大木纖維表面的粗糙度，去除其中的木質(zhì)素、蠟質(zhì)和果膠，使纖維素含量增大，單纖的強(qiáng)力提高，可增大纖維與基體的有效接觸面積，同時降低其表面極性，使兩相的極性相近，塑料和木纖維之間的相容性，從而提高復(fù)合材料的物理力學(xué)性能［17］。

(2)堿處理對大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響。

不同濃度堿處理大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、24 h吸水率、24 h吸水厚度膨脹率的測試結(jié)果見表4。

表4 不同濃度堿處理大麻稈纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的物理力學(xué)性能Tab．4 The physical and mechanical properties of hemp fiber reinforced composite of the different concentrations of alkali treatment

由表4可知，隨著堿處理濃度的增加，大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能呈下降趨勢，物理性能得到較大改善。復(fù)合材料力學(xué)性能下降的原因可能是，大麻稈纖維作為增強(qiáng)材料，旨在利用纖維在樹脂基體中可以形成交織，從而提高了復(fù)合材料力學(xué)性能。而當(dāng)大麻稈纖維經(jīng)過堿液處理后，纖維由于結(jié)晶度增加而變得更加堅硬而又脆弱，強(qiáng)度變大但柔順性卻變差，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，這些纖維不能很好地在復(fù)合材料的界面上傳遞應(yīng)力，從而使得這些纖維發(fā)生斷裂，導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能降低［18］。由于堿處理去除纖維表面的部分木質(zhì)素和半纖維素等吸水物質(zhì)，從而使得復(fù)合材料的物理性能得到改善，當(dāng)堿處理濃度從0%增加到5%時，復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率降低47．42%。

3 結(jié)語

(1)原料配比對木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有顯著影響;當(dāng)木纖維與聚丙烯配比為30︰70時，復(fù)合材料表現(xiàn)出最佳的物理力學(xué)性能。隨著木纖維含量的增加，復(fù)合材料的物理力學(xué)性能呈下降趨勢。

(2)密度對木纖維/聚丙烯復(fù)合材料的物理力學(xué)性能有顯著影響。隨著復(fù)合材料密度的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能呈上升趨勢。

(3)不同濃度的堿處理對木纖維/聚丙烯和大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料的物理力學(xué)性能均有顯著影響。隨著堿處理濃度的增加，木纖維/聚丙烯和大麻稈纖維/聚丙烯復(fù)合材料的物理性能得到較大改善，木纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能在一定程度上得到提高。

綜合以上分析，不同的原料配比、板材密度以及不同濃度的堿處理均會對短纖維增強(qiáng)型聚丙烯基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。為改善短纖維增強(qiáng)型聚丙烯基復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，可進(jìn)一步研究添加偶聯(lián)劑和對纖維進(jìn)行酶處理使得復(fù)合材料的物理力學(xué)性能均能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《擠壓木塑復(fù)合板材》LY/T 1613-2004(靜曲強(qiáng)度 ＞20MPa，彈性模量＞1 800 MPa，24 h吸水厚度膨脹率＜1%)的要求。

［1］徐慶艷．木塑復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(14):211．

［2］牛笑一．木塑復(fù)合材料及其發(fā)展［J］．家具與室內(nèi)裝飾，2011(1):88-89．

［3］錢 晨，楊 斌，夏 茹，等．木塑復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展［J］．塑料工業(yè)，2013，41(5):16-42．

［4］滕國敏，張 勇，萬超瑛，等．木塑復(fù)合材料的界面改性方法［J］．化工新型材料，2005，33(5):7-9．

［5］劉曉燁，戴干策．黃麻纖維氈的表面處理及其增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能［J］．復(fù)合材料學(xué)報，2006，23(5):63-69．

［6］劉麗妍，王 瑞．亞麻纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料板材的研究［J］．玻璃鋼/復(fù)合材料，2004(4):29-32．

［7］CHAHARMAHALI，M．MIRBAGHERI，J．＆M．TAJVIDI．Mechanical and physical properties of wood-plastic composite panels［J］．Journal of Reinforced Plastics and Composites，2010，29(2):310-319．

［8］Migneault，S．Koubaa，A．Erchiqui，et al．Effect of fiber length on processing and properties of extruded wood-fiber/HDPE composites［J］．Journal of Applied Pol-ymer Science，2008，110:1085-1092．

［9］Ito，H．Hattori，H．Hirai，et al．Effect of sphericalsilica on the molding and properties of cellulose/plastic composite with high cellulose content［J］．Journal of Wood Chemistry and Technology，2010，30(2):175-185．

［10］Guo，G．Lee，Y．H．Rizvi，et al．Influence of wood fiber size on extrusion foaming of wood fiber/HDPE composites［J］．Journal of Applied Polymer Science，2008，107:3505-3511．

［11］蘇曉芬，生 瑜．木塑復(fù)合材料界面改性方法研究進(jìn)展［J］．廣州化工，2013，41(3):25-27．

［12］董二瑩，任元林，金銀山，等．木塑復(fù)合材料界面改性研究進(jìn)展［J］．天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，32(1):48-51．

［13］王立多．聚丙烯/亞麻纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的研究［D］．天津:天津科技大學(xué)，2011:1-88．

［14］梁夢杰，呂 群，蔡培鑫，等．聚乙烯基木塑復(fù)合材料的吸水性及其影響［J］．塑料，2012，41(6):46-59．

［15］王新洲，鄧玉和，王 偉，等．蘆葦中(高)密度纖維板的研究［J］．林產(chǎn)工業(yè)，2010，37(2):19-25．

［16］勾智麗．降低人造板吸水厚度膨脹率的措施［J］．內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計，2006，29(3):78-80．

［17］劉 丹，葉張龍，王春紅，等．堿處理對竹纖維增強(qiáng)聚乳酸基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響［J］．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013(3):23-27．

［18］雷 文，任 超，楊 濤，等．堿處理對不飽和聚酯樹脂/苧麻布復(fù)合材料力學(xué)性能及界面形貌的影響［J］．玻璃鋼/復(fù)合材料，2007(5):31-34．