表面處理麥秸稈對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響

安 晶 錢(qián)亞杰

（1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城224051；2.江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 宜興214206）

近些年來(lái)木塑復(fù)合材料逐漸興起，不僅因?yàn)樗?jié)省了大量的資源，而且也不用開(kāi)采新的資源[1]。木塑復(fù)合材料是一種由木質(zhì)纖維或植物纖維填充改性熱塑性材料再經(jīng)工藝擠出壓制或注射成型代替木材或塑料的新型復(fù)合材料[2]。研究PP和秸稈復(fù)合制成木塑復(fù)合材料的文章較多。從麥秸稈和PP兩種成分的性質(zhì)來(lái)看，一種是麥秸稈，其表面含有大量親水性基團(tuán)的醇羥基，而另一種主要成分是PP，其表面是非極性的[3]。因此讓兩種物質(zhì)更好的結(jié)合在一起，使這種復(fù)合材料優(yōu)于其中任何一種單一材料，成為木塑復(fù)合材料發(fā)展道路上迫切需要解決的重大問(wèn)題[4]。張東輝[5]采取3種方法，包括加熱烘干、KH570、NDZ105對(duì)稻秸稈粉進(jìn)行處理來(lái)提高兩者的界面相容性；于旻[6]采用NaOH、乙酸溶液浸泡、水熱處理、蒸汽爆破和微波等對(duì)麥秸稈纖維進(jìn)行預(yù)處理的方法來(lái)提高兩者的相容性，其中所用的麥秸稈與PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%，質(zhì)量比為1：1。本文不同點(diǎn)是在于旻[6]基礎(chǔ)上采用先用NaOH再用乙酸溶液對(duì)麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理，然后復(fù)合偶聯(lián)劑法處理麥秸稈，而且麥秸稈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，質(zhì)量比為1：3，研究表面改性方法和硅烷偶聯(lián)劑用量的不同對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、沖擊性能和熔體流動(dòng)速率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚丙烯（PP）石油天然氣股份有限公司；麥秸稈，江蘇省鹽城市南洋鎮(zhèn)，高速粉碎機(jī)粉碎，90目；KH550硅烷偶聯(lián)劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備

SHR-10A型高速混合機(jī)：江蘇張家港市博瑞克械制造有限公司；

150立式塑料成型機(jī)：新威機(jī)械制造廠；

XJJ-5型沖擊試驗(yàn)機(jī)：72型，上海分析儀器廠；

1.3 秸稈/PP木塑復(fù)合材料的制備

1）麥秸稈的表面處理

（1）取秸稈質(zhì)量1%，2.5%，4%，5.5%，7%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液，與無(wú)水乙醇配成體積比為1:6的稀溶液，之后將烘干后的麥秸稈粉放入高速攪拌機(jī)中攪拌分多次噴入稀溶液，使溶液充分浸漬秸稈，取出干燥。

（2）將干燥后的秸稈放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH中浸泡，調(diào)節(jié)PH值至中性，干燥，再用(a)步驟處理。

（3）同（b）方法用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%乙酸代替NaOH進(jìn)行浸泡，沖洗，調(diào)節(jié)PH值，干燥，再用(a)步驟處理。

（4）將干燥后的秸稈放置NaOH中浸泡，沖洗，調(diào)節(jié)至中性后，干燥，接著在乙酸中浸泡，沖洗，調(diào)節(jié)PH值，干燥，再用（1）步驟處理。

2）秸稈/PP木塑復(fù)合材料的制備

將處理過(guò)的秸稈粉和PP在高速攪拌機(jī)中混合，用切粒機(jī)造粒，靜置干燥后倒入注射機(jī)料斗熔融塑化成型。

1.4 木塑復(fù)合材料性能測(cè)試及表征

拉伸測(cè)試：按照GB/T1040-92以50mm/min速度測(cè)出拉伸強(qiáng)度。

沖擊測(cè)試：按照GB/T1043-93測(cè)量試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度。

熔融指數(shù)測(cè)試：測(cè)量10min內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)口模流出的熔體質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面處理和硅烷偶聯(lián)劑用量的不同對(duì)木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響

隨著偶聯(lián)劑含量的增加，木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先上升后下降，在4%處取得拉伸性能的最高值。這是由于硅烷偶聯(lián)劑提高了秸稈纖維與樹(shù)脂基體間的界面相容性[7]，增強(qiáng)了復(fù)合材料的拉伸性能。在4%之后拉伸強(qiáng)度逐漸下降，原因是多余的硅烷偶聯(lián)劑分子之間結(jié)聚為多分子形成層，減少了硅烷偶聯(lián)劑與聚丙烯樹(shù)脂基體之間的有效接觸面積降低了粘合力使界面結(jié)合力反而變差，復(fù)合材料受力時(shí)秸稈纖維易與樹(shù)脂基體分開(kāi)使力學(xué)性能降低。不同處理方法對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響不同，未經(jīng)酸堿處理僅經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理試樣的拉伸性能明顯低于其他經(jīng)過(guò)酸堿處理的試樣，而經(jīng)乙酸處理過(guò)的試樣的拉伸性能最佳，因?yàn)橐宜崮艹溄斩挶韺酉炠|(zhì)和灰分等同時(shí)改變麥秸稈表面的PH值[8]，使麥秸稈纖維和聚丙烯樹(shù)脂基體間形成很好的黏結(jié)界面，而且酸處理能增加麥秸稈纖維表面的自由基濃度，提高其膠結(jié)強(qiáng)度[9]。分別經(jīng)過(guò)乙酸和NaOH處理的試樣拉伸強(qiáng)度略微低于僅經(jīng)過(guò)乙酸處理的試樣但高于NaOH處理的拉伸強(qiáng)度，原因是NaOH與麥秸稈中羧基反應(yīng)降低其分子間粘合力。

2.2 不同表面處理和硅烷偶聯(lián)劑用量不同對(duì)木塑復(fù)合材料沖擊性能的影響

隨著偶聯(lián)劑用量的增加復(fù)合材料的沖擊性能先增大后減小，并且在4%時(shí)沖擊強(qiáng)度最高，這與表面處理的方法導(dǎo)致兩種材料間的相容性不同有關(guān)，硅烷偶聯(lián)劑在1%～4%時(shí)的添加量正好提高兩者之間的界面結(jié)合力，而過(guò)多的硅烷偶聯(lián)劑形成的分子層反而降低了麥秸稈纖維與聚丙烯基體間的結(jié)合力[10]。經(jīng)過(guò)乙酸和NaOH處理的試樣沖擊強(qiáng)度略微低于僅經(jīng)堿處理的試樣但高于乙酸處理的試樣，原因是乙酸將麥秸稈中半纖維素分解成單糖[11]，纖維素含量減少與堿處理相比試樣反應(yīng)的接觸面少而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[12]。

2.3 不同表面改性方法和硅烷偶聯(lián)劑用量不同對(duì)復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率的影響

熔體流動(dòng)速率隨著秸稈偶聯(lián)劑用量的增加逐漸上升，用量在1%～4%上升較明顯，超過(guò)4%之后熔體流動(dòng)速率的增速放緩，可能是由于過(guò)多的偶聯(lián)劑分子之間聚集形成的多分子層使熔體流動(dòng)速率受限增速放緩。相比未經(jīng)NaOH處理的試樣，經(jīng)酸堿復(fù)合處理的試樣軟化點(diǎn)得到明顯的提高，耐熱性能得到提高，經(jīng)過(guò)乙酸、NaOH處理的復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率最好，這是因?yàn)榘肜w維素，木質(zhì)素的分解，導(dǎo)致纖維結(jié)晶度降低，提高了秸稈纖維分子的分散性，熔融后流動(dòng)性得到提高。

3 結(jié)論

1）乙酸和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的木塑復(fù)合材料拉伸性能最好。

2）NaOH和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的木塑復(fù)合材料的沖擊性能最好。

3）經(jīng)過(guò)乙酸、NaOH和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的材料的熔體流動(dòng)速率最高。

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