MCC填充PP的工藝探究

侯人月，賀 燕，左繼承，李成吾

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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MCC填充PP的工藝探究

侯人月，賀 燕，左繼承，李成吾

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

主要研究MCC的填充量，PVA的用量及偶聯(lián)劑的用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，比較經(jīng)分散劑處理前后MCC的分散情況，并利用掃描電鏡觀察復(fù)合材料斷面的微觀結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，MCC最大填充量為10%；MCC/PP復(fù)合材料加入PVA后，分散性更好，PVA用量為3%時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度較好；硅烷偶聯(lián)劑用量為1.5%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能較好；鋁酸酯偶聯(lián)劑用量為1.5%時(shí)，復(fù)合材料的抗沖擊性能較好。

微晶纖維素；聚丙烯；復(fù)合材料；力學(xué)性能

聚丙烯塑料(PP)是一種通用高分子材料，在日常生活中廣泛應(yīng)用，但它在自然界中難于降解，給環(huán)境造成了巨大的污染。目前處理聚丙烯廢棄物的方法以填埋和焚燒為主，填埋占用寶貴的土地資源，而焚燒則對(duì)空氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。而微晶纖維素(MCC)是一種天然高分子，在自然條件下可以自然降解，因此利用MCC填充PP。由于MCC羥基和碳氧鍵的存在極性很強(qiáng)，而PP極性較弱，兩者混合時(shí)界面作用力很小，且在填充時(shí)容易聚團(tuán)，造成材料內(nèi)存在缺陷，從而影響了材料的力學(xué)性能[2]。本實(shí)驗(yàn)采用加入高分子分散劑PVA和偶聯(lián)劑來(lái)改善MCC的填充效果，使其力學(xué)性能得到提高[3-4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

微晶纖維素(MCC)(AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、聚丙烯(PP)(AR，遼寧華錦化工有限責(zé)任公司)、聚乙烯醇(PVA)(AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、硅烷偶聯(lián)劑KH550(AR，上海浦東化學(xué)有限公司)、鋁酸酯偶聯(lián)劑(AR，濟(jì)南奇云劍化工公司)、聚乙烯蠟(AR，沈陽(yáng)新光化工廠)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

轉(zhuǎn)矩流變儀，LH60，上?？苿?chuàng)橡塑機(jī)械廠設(shè)備有限公司；平板硫化機(jī)，QLB400×2型，鄭州大眾機(jī)械制造有限公司；偏光顯微鏡，XPR-300C，上海豫光儀器有限公司；掃描電鏡，S-3400N，日本日立公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，RGJ-10，四川瑞格爾儀器有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，XTU-22，承德大華試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.3 PVA改性MCC的制備

稱(chēng)取相對(duì)于MCC質(zhì)量2%～6%的PVA，放入適量去離子水中，在300r/min下攪拌并水浴加熱至90℃，完全溶解后停止加熱，再將稱(chēng)好的一定質(zhì)量的纖維素放入配好的PVA溶液中攪拌30min后抽濾，在105℃的真空干燥箱中烘干2h，封袋備用。

1.4 偶聯(lián)劑改性PVA/MCC的制備

分別取相對(duì)于MCC質(zhì)量1%～3%的硅烷偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑放入60mL的無(wú)水乙醇中進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后，再加入一定質(zhì)量的微晶纖維素，攪拌30min，倒入表面皿中自然風(fēng)干后，120℃再干燥2h。

1.5 MCC/PP復(fù)合材料的制備

處理前后的MCC分別與PP同時(shí)加入到轉(zhuǎn)矩流變儀中進(jìn)行熔融共混，然后在平板硫化機(jī)上熱壓成型,制成標(biāo)準(zhǔn)樣條。

1.6 性能測(cè)試與表征

用RGJ-10型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)按國(guó)標(biāo)GB/T1040-1992對(duì)材料的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試。

用XTU-22型沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料的沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，每組制備三個(gè)試樣，結(jié)果取平均值。

用掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合材料拉伸斷口的微觀結(jié)構(gòu)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 MCC填充量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

MCC填充量分別為總質(zhì)量的10%、20%、30%、40%、50%，研究填充量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，并與純PP進(jìn)行比較。

圖1 微晶纖維素填充量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖1a為MCC含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響。由圖1a可看出，隨著共混體系中MCC含量的增加，樣條的拉伸強(qiáng)度明顯下降。這是因?yàn)镸CC與PP的相容性較差，隨著MCC含量的增加，其在PP基體中的分散越來(lái)越困難，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，使MCC相尺寸增大，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降。當(dāng)填充量為10%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與純PP的拉伸強(qiáng)度相差較小。

圖1b為MCC含量對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響。由圖1b可看出，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨MCC含量的增加逐漸下降，當(dāng)MCC填充量大于30%時(shí)，材料沖擊強(qiáng)度下降顯著，因?yàn)镸CC分散困難，團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，致使材料的缺陷變多，脆性增加。從實(shí)驗(yàn)過(guò)程看，10%～50%也能填充進(jìn)去，但填充到50%以上，材料表面會(huì)有裸露的MCC，綜合物理性能考慮，選擇填充量為10%較合適。

2.2 用PVA處理MCC前后分散性的變化

圖2為經(jīng)PVA改性前后的MCC和復(fù)合材料放大40倍的偏光顯微鏡圖。

由圖2a、2b可以看出,用PVA改性后的MCC分散效果明顯改善。圖2c中黑色填料與白色基體分別形成了聚集的體系，說(shuō)明填充的MCC明顯團(tuán)聚；而圖2d中白色基體和黑色填料分布很

均勻，說(shuō)明團(tuán)聚的MCC明顯減少，因此用PVA改性后的MCC分散性明顯增加，且PVA用量越多，分散性越好，但是PVA用量過(guò)多會(huì)影響材料的力學(xué)性能。

圖2 經(jīng)PVA改性前后的MCC和復(fù)合材料放大40倍的

2.3 PVA的用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

PVA的用量為MCC質(zhì)量的2%、3%、4%、5%，研究PVA用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖3 PVA的用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響

圖3為PVA的用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響：隨著PVA用量的增加，拉伸強(qiáng)度先增加后減小并平緩，在3%時(shí)材料拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大；圖3b為PVA的用量對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響：復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度先減小后增加，在4%時(shí)達(dá)到最小值。

由圖3可以看出，當(dāng)PVA用量為3%時(shí)，拉伸強(qiáng)度雖然達(dá)到最大值，但抗沖擊強(qiáng)度卻明顯下降，這是因?yàn)槎贪魻畹腗CC在基體中呈無(wú)規(guī)分布，MCC受力后取向，從而使材料拉伸強(qiáng)度上升而抗沖擊強(qiáng)度下降；當(dāng)PVA用量大于4%時(shí)抗沖擊強(qiáng)度上升的原因可能是PVA用量過(guò)度，使其在MCC分子表面形成多分子層結(jié)構(gòu)，這些分子之間通過(guò)范德華力連接，受力后多分子容易被破壞，然而在沖擊的條件下可以吸收沖擊的能量，所以材料的沖擊強(qiáng)度增大。綜合考慮，選用PVA用量為3%時(shí)處理MCC較合適。

2.4 偶聯(lián)劑種類(lèi)及其用量對(duì)PP/MCC復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

用PVA處理后的MCC分別與1%、1.5%、2%、2.5%、3%的硅烷偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑以醇溶液為載體進(jìn)行改性[5-6]，研究偶聯(lián)劑的用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

圖4 偶聯(lián)劑種類(lèi)及其用量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4a為偶聯(lián)劑用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響，由圖4a可知，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后的MCC填充的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先增大后減小，極大值出現(xiàn)在1.5%；鋁酸酯偶聯(lián)劑處理MCC填充復(fù)合材料的拉伸性能改善并不明顯。但是硅烷偶聯(lián)劑處理的MCC填充復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度先增加后減小，在2%處出現(xiàn)極大值；鋁酸酯偶聯(lián)劑處理MCC填充的復(fù)合材料則相對(duì)穩(wěn)定，在2%出現(xiàn)極小值，以后則隨偶聯(lián)劑用量增加，材料的抗沖擊強(qiáng)度增加。

如圖4可知，若提高材料的拉伸強(qiáng)度，則選用硅烷偶聯(lián)劑，處理MCC時(shí)用量在1.5%較為合適；若提高材料的抗沖擊性能，則選用鋁酸酯偶聯(lián)劑處理MCC填充材料較合適，用量選1.5%較好；既想提高材料的拉伸強(qiáng)度又想提高材料的沖擊強(qiáng)度，則采用硅烷偶聯(lián)劑處理MCC，并且用量在2%較合適。

圖5是復(fù)合材料拉伸斷面的SEM圖，圖5a是加鋁酸酯偶聯(lián)劑的復(fù)合材料，5b是加硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合材料。

圖5 復(fù)合材料斷面SEM圖

從圖5可以看出，圖5a是脆性斷裂，斷裂面是層狀，且有許多圓形孔，說(shuō)明MCC和鋁酸酯偶聯(lián)劑的結(jié)合不好，MCC的填入起到了雜質(zhì)的作用，使復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力分布不均勻；5b圖是韌性斷裂，斷裂面高低起伏并均一，斷面基本沒(méi)有圓孔，說(shuō)明MCC和硅烷偶聯(lián)劑結(jié)合效果較好，使復(fù)合材料的拉伸應(yīng)力分布均勻。從而得出加硅烷偶聯(lián)劑改性后的復(fù)合材料，MCC與聚丙烯相容性更好。

3 結(jié)論

(1)未經(jīng)處理的MCC與PP填充，隨著MCC填充量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯變差。

(2)用PVA分散劑處理MCC后，使MCC的分散性變好，分散劑的用量越多，分散性越好，綜合考慮，分散劑用量3%較合適。

(3)用硅烷偶聯(lián)劑改性的復(fù)合材料拉伸性能好，用鋁酸酯改性的復(fù)合材料抗沖擊性能好；硅烷偶聯(lián)劑為2%時(shí)改性MCC后，材料取得最佳綜合性能。

(4)由SEM圖看出，在不同偶聯(lián)劑改性的條件下，PP/MCC復(fù)合材料的界面結(jié)合力不同，由此可知在復(fù)合材料不同性能的要求下采用不同的偶聯(lián)劑改性。

[1]趙婷婷,王建華,梁書(shū)恩,等.淀粉/微晶纖維素填充聚氨酯泡沫塑料的制備與力學(xué)性能[J].化工新型材料,2009,37(6):34-35.

[2]袁新恒,張隱西,張祥福.廢報(bào)紙粉填充聚丙烯材料的研究[J].塑料工業(yè),1999(1):60-63.

[3]傅和青,湯風(fēng),黃洪,等.聚丙烯填充改性研究進(jìn)展[J].化工礦物與加工,2004(1):5-9.

[4]胡智華,傅和青.聚丙烯填充改性[J].化工新型材料,2005,33(5):60-64.

[5]張志堅(jiān),花蕾,李煥興,等.硅烷偶聯(lián)劑在玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].玻璃纖維,2013,3(12):11-21.

[6]卓存誠(chéng),卓家明.鋁酸醋偶聯(lián)劑在塑料復(fù)合材料中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè),1995(5):30-32.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Study on the Process of MCC Filled PP

HOU Renyue，HE Yan， ZUO Jicheng，LI Chengwu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The influence of the filling content of MCC,and the content of PVA and that of silane coupling agent to mechanical property of composite are mainly discussed.The dispersion of MCC are compared before the treatment of dispersing agent and after the treatment of the dispersing agent,and the surface structure of the composite is observed with scanning electron microscope(SEM).The result shows,the loading of MCC is 10wt%,after adding PVA to the MCC/PP composite,the MCC has a better dispersion and when the additive amount of PVA is 3wt%,the composite presents a better tensile strength.When the additive amount of silane coupling agent is 1.5wt%,the composite also presents a better tensile strength.And while the additive amount of aluminate coupling agent is 1.5wt%,the composite presents a better impact resistance.

MCC;polypropylene;composite;mechanical properties

2015-11-04

沈陽(yáng)市科技局項(xiàng)目(F15-173-6-00)

侯人月(1989—)，女，碩士研究生；通訊作者：賀燕(1961—)，女， 教授， 博士。研究方向： 固體廢棄物的再利用。

1003-1251(2016)05-0064-04

TB383

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