稻草纖維填充ABS復(fù)合材料的制備及性能研究

朱凌波，唐 錢，李佩琦，李新功

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

稻草纖維填充ABS復(fù)合材料的制備及性能研究

朱凌波，唐 錢，李佩琦，李新功*

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004)

以丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物(ABS)樹脂為基體，稻草纖維為填充材料，在不添加偶聯(lián)劑的情況下，通過(guò)模壓成型法制備了ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料。采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、熱失重分析儀、掃描電子顯微鏡、凝膠滲透色譜儀、旋轉(zhuǎn)流變儀研究了模壓溫度和纖維含量對(duì)ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的最佳模壓溫度和最佳纖維比例分別為170℃和100/30；當(dāng)模壓溫度為210℃時(shí)，稻草纖維碳化嚴(yán)重，其表面硅制層脫落，纖維與樹脂的界面結(jié)合強(qiáng)度降低，但纖維呈致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于沖擊應(yīng)力的吸收；ABS的相對(duì)分子質(zhì)量隨模壓溫度的升高而減小，樹脂基體沖擊性能增強(qiáng)；當(dāng)模壓溫度為170～190℃、纖維含量為30～40份時(shí)，纖維在樹脂基體中的強(qiáng)度和分散性較好，力學(xué)性能較高。

丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯共聚物；稻草纖維；木塑復(fù)合材料；模壓溫度；稻草纖維比例；力學(xué)性能；流變性能

0 前言

我國(guó)是世界上最大的秸稈資源擁有國(guó)。2013年，我國(guó)秸稈產(chǎn)量高達(dá)109t，占世界秸稈總量的19 %。由于收集方式、利用技術(shù)和運(yùn)輸成本的限制，我國(guó)對(duì)秸稈的綜合利用率較低，對(duì)剩余的秸稈主要采取廢棄和田間焚燒的形式處理，這不僅污染了環(huán)境，造成了資源浪費(fèi)，同時(shí)也破壞了土壤的抗旱保濕能力，嚴(yán)重限制了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，秸稈的綜合利用研究對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

木塑復(fù)合材料是一種由熱塑性塑料和木質(zhì)材料所組成的新型綠色環(huán)保材料，由于木塑復(fù)合材料兼具塑料及木質(zhì)材料的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用?，F(xiàn)有木塑復(fù)合材料的研究采用的塑料基體多為聚乙烯(PE)[1-3]、聚丙烯(PP)[4-6]、聚氯乙烯(PVC)[7-9]、聚乳酸(PLA)[10-12]等，木質(zhì)填充材料則多以木纖維[13-14]、竹纖維[15-16]等強(qiáng)度較高的木質(zhì)材料為主。與上述樹脂基體相比， ABS具有優(yōu)異的剛性、尺寸穩(wěn)定性和低蠕變性，并且ABS基木塑復(fù)合材料更接近木材的性質(zhì)[17]，但目前對(duì)ABS以及秸稈的關(guān)注并不多，而以秸稈為填充材料、ABS為基體的研究更是沒(méi)有先例。本文以性能優(yōu)異的工程塑料ABS為基體，稻草秸稈為填充材料，在不添加偶聯(lián)劑的情況下，制備了ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料并研究了模壓溫度和纖維含量對(duì)其性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

ABS，PA-1730，江蘇鎮(zhèn)江奇美化工有限公司；

稻草纖維，用高速粉碎機(jī)將稻草秸稈打成粉末，然后用250～380μm的篩子篩選，獲得250～380μm的稻草秸稈纖維。

1.2 主要設(shè)備及儀器

高速粉碎機(jī)，LFP-800T，曲阜億陽(yáng)利豐農(nóng)業(yè)科技有限公司；

干燥箱，101-8，杭州藍(lán)天化驗(yàn)儀器廠；

精密開煉機(jī)，ZG-160L，東莞市正工機(jī)電設(shè)備科技有限公司；

強(qiáng)力低音塑料粉碎機(jī)，PC-300，東莞市恩必信塑膠機(jī)械有限公司；

熱壓機(jī)，QD，上海人造板機(jī)器廠；

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，C45，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司深圳分公司；

微機(jī)控制沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，JB-500W，濟(jì)南聯(lián)工測(cè)試技術(shù)有限公司；

掃描電子顯微鏡(SEM)，SU3500，日本株式會(huì)社日立制作所；

熱失重分析儀(TG)，TGA2-LF，瑞士梅特勒托利多公司；

旋轉(zhuǎn)流變儀，DHR-2，美國(guó)沃特斯(中國(guó))有限公司；

凝膠滲透色譜儀(GPC)，G3000PW(XL)，美國(guó)安捷倫公司；

高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，JP-1500B，江陰市滿達(dá)機(jī)械有限公司。

1.3 樣品制備

首先將ABS和稻草纖維在干燥箱中120℃下干燥5h，備用；將干燥好的ABS和稻草纖維按表1的質(zhì)量比加入，用精密開煉機(jī)混煉至均勻，混煉溫度為130℃，混煉時(shí)間為15min；待物料冷卻后，用強(qiáng)力低音塑料粉碎機(jī)將其打碎至物料顆粒大小均勻一致；將粉碎后的物料在干燥箱中90℃下干燥12h;利用熱壓機(jī)將干燥后的物料壓制成板，模壓溫度如表1所示，熱壓壓力為12MPa，熱壓時(shí)間為10min。

表1 ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的質(zhì)量比及模壓溫度Tab.1 Molding temperature and mass ratio of ABS/straw composites

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

TG分析：取約20mg的樣品，在氮?dú)鈿夥障乱?0℃/min速率從室溫升至800℃，考察其熱失重情況；

SEM分析：將試樣的拉伸斷面進(jìn)行噴金處理，試樣尺寸為8mm×8mm，測(cè)試電壓為10kV，在SEM上觀察并拍照；

GPC測(cè)試:采用GPC測(cè)試ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料中ABS的相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布；取約0.5g的樣品溶于50mL的三氯甲烷中，待樣品全部溶解后，用G4砂芯過(guò)濾坩堝過(guò)濾，收集過(guò)濾出的液體，待測(cè)；實(shí)驗(yàn)條件：用PLgel5μLMIXED-C交聯(lián)聚苯乙烯凝膠柱，以三氯甲烷為流動(dòng)相，流動(dòng)相流速為1.00mL/min,進(jìn)樣量為100μL，實(shí)驗(yàn)溫度為37℃,標(biāo)準(zhǔn)物為聚苯乙烯；

流變性能測(cè)試:取不同模壓溫度后的ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料，使用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)將試樣打成粉末，并用75μm的篩子篩選，并將篩選出的粉末在干燥箱中100℃下干燥12h；將干燥后的粉末送入旋轉(zhuǎn)流變儀中測(cè)試ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的流變性能，旋轉(zhuǎn)流變儀的轉(zhuǎn)速為10rad/s；

拉伸性能按GB/T1040.2—2006測(cè)試，拉伸速率為10mm/min；

彎曲性能按GB/T17657—2013測(cè)試，彎曲速率為10mm/min;

沖擊性能按GB/T1043—1993測(cè)試，試樣無(wú)缺口，擺錘速率為3.8m/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 模壓溫度對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響

2.1.1力學(xué)性能分析

由圖1(a)可知，隨著模壓溫度的升高，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)模壓溫度為170℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值(22.9MPa)。這是因?yàn)楫?dāng)模壓溫度較低時(shí)，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的黏度較大，導(dǎo)致稻草纖維在基體中分布不均勻，部分稻草纖維團(tuán)聚，在外力作用下容易引發(fā)應(yīng)力集中和應(yīng)力缺陷。隨著模壓溫度的升高，基體中纖維的流動(dòng)性增強(qiáng)，稻草纖維均勻分布于基體中形成搭接、纏繞和勾連，從而形成連續(xù)相。同時(shí)，溫度的升高導(dǎo)致了稻草中部分半纖維素和木質(zhì)素的降解，降低了纖維極性，復(fù)合材料界面相容性增強(qiáng)。隨著溫度的進(jìn)一步上升，稻草纖維碳化程度加劇，造成復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。與拉伸強(qiáng)度不同的是，彎曲強(qiáng)度在200℃時(shí)達(dá)到最大值(42.34MPa)。這可能是因?yàn)榈静堇w維一定程度的碳化對(duì)復(fù)合材料體系起到了潤(rùn)滑作用，提高了纖維的分散性和復(fù)合材料基體的柔性[18]。當(dāng)模壓溫度達(dá)到210℃時(shí)，稻草纖維碳化程度加劇，導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度急劇下降。由圖1(b)可知，隨著模壓溫度的升高，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。當(dāng)模壓溫度在170℃以下時(shí)，復(fù)合材料體系的黏度較大，稻草纖維在基體中分布不均而產(chǎn)生聚集，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的沖擊性能下降。ABS樹脂組分中，聚丁二烯類橡膠相賦予了樹脂較強(qiáng)的沖擊性能。隨著模壓溫度的升高，部分聚丁二烯降解，導(dǎo)致樹脂基體的沖擊性能下降。隨著模壓溫度的進(jìn)一步升高，稻草纖維碳化程度加劇，碳化的稻草纖維在復(fù)合材料中逐漸形成連續(xù)的網(wǎng)狀碳質(zhì)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀的碳質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠?qū)_擊應(yīng)力產(chǎn)生一定的吸收效應(yīng)，模壓溫度的升高導(dǎo)致ABS中苯乙烯 - 丙烯腈(SAN)的相對(duì)分子質(zhì)量降低，增強(qiáng)了ABS樹脂的沖擊性能[19]。

(a)拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度 (b)沖擊強(qiáng)度圖1 不同模壓溫度時(shí)ABS/稻草木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig.1 Mechanic properties of ABS/straw composites at different molding temperatures

2.1.2熱性能分析

1—ABS 2—稻草纖維 3—ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料(a)TG (b)DTG圖2 ABS、稻草纖維及其ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料TG和DTG曲線Fig.2 TG and DTG curves of ABS，straw fiber and ABS/straw composites

由圖2可知，ABS的分解過(guò)程只有一個(gè)失重區(qū)間，在350～500℃之間急劇降解；而在350℃之前，TG曲線呈些許下降，這是由于ABS中含不飽和雙鍵的丁二烯降解所造成的。稻草的主要熱降解階段發(fā)生在180～420℃間，TG曲線在室溫～130℃時(shí)出現(xiàn)些許降低，這主要是游離水的析出所致；在150～250℃之間時(shí)，半纖維素開始初步軟化分解，纖維素的分解溫度在190～320℃之間；木質(zhì)素的分解溫度最寬，在150～420℃之間均存在分解現(xiàn)象。由此可知，350℃之前，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的熱降解主要為丁二烯和稻草中的部分物質(zhì)；350℃之后，稻草和ABS同步發(fā)生熱降解；420℃之后則主要是ABS的降解。這與170℃模壓復(fù)合材料的TG曲線基本一致。

圖3是不同模壓溫度下ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的TG曲線。其曲線形態(tài)近乎一致，對(duì)比復(fù)合材料的初始失重溫度(以1%的失重為標(biāo)準(zhǔn))可以發(fā)現(xiàn)：模壓溫度為170℃的復(fù)合材料的初始失重溫度最高，其次則依次為190、150和210℃，說(shuō)明模壓溫度為170℃時(shí)，復(fù)合材料的界面強(qiáng)度較大，阻礙了熱能的傳遞；殘?zhí)柯蕿椋?10℃>150℃>190℃>170℃，即模壓溫度為170℃的復(fù)合材料的殘余物最多，阻燃性能較好；由此可知，當(dāng)模壓溫度為170℃時(shí)，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好。

模壓溫度/℃：1—150 2—170 3—190 4—210圖3 不同模壓溫度時(shí)ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的TG曲線Fig.3 TG curves of ABS/straw composites at different molding temperatures

2.1.3SEM分析

圖4 稻草纖維的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM of straw fibers

從圖4可以看出，秸稈外表面存在凸起狀硅質(zhì)層，這是由于礦質(zhì)化、栓質(zhì)化的結(jié)果，硅質(zhì)層能夠增強(qiáng)秸稈的強(qiáng)度以及抗倒伏，也能防止內(nèi)部水分過(guò)度蒸發(fā)[20]。在模壓過(guò)程中，樹脂基體在溫度和壓力的作用下能與硅質(zhì)層凸起形成嚙合結(jié)構(gòu)，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

模壓溫度/℃，放大倍率：(a)150，×100 (b)170，×100 (c)210，×100 (d)150，×500 (e)170，×500 (f)210，×1000圖5 不同模壓溫度時(shí)ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM of ABS/straw composites at different molding temperatures

由圖5(a)、5(b)可知，在復(fù)合材料體系中，纖維與纖維間的間距過(guò)小，產(chǎn)生了明顯的纖維團(tuán)聚和纖維拔出的現(xiàn)象。這是由于模壓溫度較低，樹脂基體的黏度較大，導(dǎo)致了稻草纖維在樹脂基體中的分散性較差，纖維與纖維間在氫鍵作用下發(fā)生團(tuán)聚。在復(fù)合材料體系的受力過(guò)程中，纖維團(tuán)聚導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生缺陷，造成復(fù)合材料體系的力學(xué)性能降低，加之集中的纖維也造成了部分基體對(duì)纖維的覆蓋不完全，因而在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生纖維從樹脂基體中拔出的現(xiàn)象。由圖5(c)、5(d)可知，稻草纖維在樹脂基體中的分布較為均勻。在復(fù)合材料拉伸斷裂后，分散在樹脂基體中的纖維也同時(shí)斷裂，這說(shuō)明樹脂與纖維間的界面結(jié)合強(qiáng)度較好，樹脂對(duì)秸稈纖維的覆蓋比較完全。這是因?yàn)槟簻囟鹊纳?，提高了?fù)合材料的流動(dòng)體系，樹脂基體在兩相界面能差的作用下自發(fā)的在纖維表明進(jìn)行流動(dòng)覆蓋，稻草纖維在樹脂中的分散性得到加強(qiáng)，溫度的提高導(dǎo)致了稻草纖維中部分半纖維素和木質(zhì)素的分解，降低了纖維表面的極性，提高了樹脂與纖維的界面結(jié)合強(qiáng)度。由圖5(e)、5(f)可知，當(dāng)模壓溫度升至210℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸斷面產(chǎn)生了大量的纖維拔出所造成的孔洞。這是因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料體系中的稻草纖維大量碳化，纖維強(qiáng)度降低，秸稈表面的凸起狀硅制層大量脫落，秸稈與樹脂間的嚙合能力下降，降低了兩相間的結(jié)合力，從而導(dǎo)致在拉伸過(guò)程中纖維大量拔出。圖5(f)為放大1000倍時(shí)，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的拉伸斷面微觀形貌，可以觀察到復(fù)合材料體系中的纖維碳化程度較高且表面硅制凸起消失，呈致密的碳質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此時(shí)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度因纖維的過(guò)度碳化而急劇下降，但是碳質(zhì)的網(wǎng)狀層對(duì)復(fù)合材料的沖擊應(yīng)力有一定的吸收緩沖作用，因此在一定程度上提高了復(fù)合材料的沖擊性能。

2.1.4GPC分析

表2為在不同模壓溫度下，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料中ABS的相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布情況。由于ABS是由聚丁二烯和SAN組成，所以其相對(duì)分子質(zhì)量的變化主要是由這2種物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量的變化所引起的。通常來(lái)說(shuō)，在GPC的測(cè)試中，數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量(Mn)主要是針對(duì)小分子物質(zhì)的檢測(cè)，而重均相對(duì)分子質(zhì)量(Mw)則對(duì)大分子更為靈敏。由表2可知，在模壓溫度從150℃上升到170℃時(shí)，復(fù)合材料中ABS的Mn、Mw及聚合物分散性指數(shù)(nPDI)增大，說(shuō)明在170℃的模壓過(guò)程中，聚丁二烯分子鏈發(fā)生斷裂，分子變小，其相對(duì)分子質(zhì)量分布的范圍擴(kuò)大；相對(duì)于170、190℃時(shí)Mn和Mw降低，nPDI則基本沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明隨著模壓溫度的升高，小分子丁二烯持續(xù)斷裂并揮發(fā)，SAN的分子鏈開始發(fā)生斷裂；當(dāng)模壓溫度上升至210℃時(shí)，大分子SAN的分子鏈斷裂程度加劇，產(chǎn)生了大量低相對(duì)分子質(zhì)量的SAN，Mn和Mw降低，相對(duì)分子質(zhì)量的分布范圍減小。隨著低相對(duì)分子質(zhì)量SAN的增加，ABS樹脂的沖擊性能和熔體流動(dòng)性提高[19]。

表2 不同模壓溫度時(shí)ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料中ABS的相對(duì)分子質(zhì)量及相對(duì)分子質(zhì)量分布Tab.2 GPC results of ABS in ABS/straw composites at different molding temperatures

2.2 纖維含量對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響

2.2.1力學(xué)性能分析

圖6 不同纖維含量的ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig.6 Mechanic properties of ABS/straw composites with different contents of fibers

由圖6(a)、6(b)可知，隨著纖維含量的增加，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能均降低。其原因可能是：隨著纖維含量的增加，纖維素中的羥基含量增加，提高了分子內(nèi)及分子間氫鍵的形成率，使纖維在體系中分散不均，導(dǎo)致顆粒堆砌嚴(yán)重，不僅提供了更多的應(yīng)力集中點(diǎn)，而且嚴(yán)重地影響了作為主要受力部分的ABS基體的連續(xù)性；另一方面，纖維含量的增加，降低了復(fù)合材料的熔體流動(dòng)性，導(dǎo)致材料成型難度增加，產(chǎn)生應(yīng)力集中及材料缺陷的幾率增大，從而降低了樹脂基體產(chǎn)生塑性形變的能力[21-22]。

2.2.2SEM分析

圖7(a)為ABS/稻草纖維質(zhì)量比為100/30時(shí)，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片。由圖可見(jiàn)，其拉伸斷面存在著明顯的纖維拉斷，這說(shuō)明ABS樹脂與纖維的結(jié)合較為良好，這是因?yàn)锳BS樹脂是典型的兩相結(jié)構(gòu)的三組分熱塑性樹脂，由SAN連續(xù)相和分散的聚丁二烯橡膠相組成，與稻草纖維的界面能相差較小，充足的樹脂基體能夠充分的填充于秸稈纖維表面的硅制層凸起中，形成了完整的嚙合結(jié)構(gòu)，提高了ABS樹脂與稻草纖維的力學(xué)性能。由圖7(b)、7(c)可知，纖維含量的提高，導(dǎo)致樹脂不足以完全填充于秸稈纖維表面的硅制層凸起中，所以在拉伸過(guò)程中，纖維逐漸被拔出并在樹脂基體表面留下致密的微小孔洞。ABS/稻草纖維的質(zhì)量比為100/60時(shí)，復(fù)合材料表面出現(xiàn)了比較大的孔隙，這說(shuō)明纖維含量過(guò)多導(dǎo)致樹脂基體對(duì)秸稈纖維的包裹不夠完全，秸稈與秸稈間出現(xiàn)空隙，因而在受力過(guò)程中纖維與樹脂間的應(yīng)力傳遞受到阻礙而產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料整體的力學(xué)性能下降。

樣品：(a)3# (b)10# (c)11# (d)12#圖7 不同纖維含量的ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料拉伸斷面的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM of ABS/straw composites with different contents of fibers

樣品：■—8# ●—9# ▲—3# ▼—10# ◆—11# ?—12#圖8 不同纖維含量的ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度Fig.8 Complex viscosity of ABS/straw composites with different contents of fibers

2.3 流變性能分析

由圖8可知，隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的復(fù)數(shù)黏度逐漸下降，這可能是因?yàn)檩^高的溫度使得樹脂中碳化纖維的含量增加，碳化的秸稈纖維能夠?qū)渲牧鲃?dòng)起到潤(rùn)滑作用，從而提高了復(fù)合材料的流動(dòng)性[18,23]。

樣品：■—8# ●—9# ▲—3# ▼—10# ◆—11# ?—12#(a)儲(chǔ)能模量 (b)損耗模量圖9 不同纖維含量的ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量Fig.9 Storage modulus and loss modulus of ABS/straw composites with different contents of fibers

由圖9可知，隨著溫度的升高，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量逐漸下降；隨著纖維含量的上升，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量逐漸上升。通常來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能模量曲線的斜率越低，儲(chǔ)能模量值越小，纖維在復(fù)合材料中分布性就越好[24]。從總體斜率來(lái)看，3#和10#樣品的曲線斜率較低，說(shuō)明此時(shí)纖維在復(fù)合材料中分布較為均勻。在這一纖維含量范圍內(nèi)，當(dāng)溫度為150～160℃時(shí)，曲線斜率隨溫度的上升而減?。划?dāng)溫度為160～190℃時(shí)，曲線近乎為一條直線，斜率保持不變；在190～210℃之間時(shí)，曲線的斜率再次減小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度較低時(shí)，樹脂基體的黏度較高，流動(dòng)性較差，導(dǎo)致纖維在樹脂基體中難以移動(dòng)，造成纖維的分布性較差，從而導(dǎo)致復(fù)合材料中出現(xiàn)纖維團(tuán)聚和應(yīng)力集中等缺陷，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能；當(dāng)溫度為170～190℃時(shí)，樹脂基體熔體流動(dòng)性加強(qiáng)，樹脂基體在兩相界面能差的作用下自發(fā)的在纖維表面覆蓋，纖維在樹脂中的分布較為均勻，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能；當(dāng)溫度為190～210℃時(shí)，纖維碳化程度逐漸加強(qiáng)，碳化的纖維能夠?qū)渲w的流動(dòng)體系起到潤(rùn)滑的作用，溫度的提高導(dǎo)致ABS中SAN大分子分子鏈的斷裂，產(chǎn)生大量的SAN小分子，提高了復(fù)合材料的流動(dòng)性和分散性[19]。儲(chǔ)能模量與損耗模量的差值能夠表征復(fù)合材料從到黏性到彈性的轉(zhuǎn)變，差值越小，轉(zhuǎn)變就越容易[25]。在較低溫度下，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量與損耗模量的差值較大，隨著溫度的升高，其差值慢慢變小，且纖維含量越低，其在較高溫度時(shí)儲(chǔ)能模量與損耗模量的差值就越小。這就意味著纖維含量的上升，增加了復(fù)合材料從固態(tài)轉(zhuǎn)化為黏流態(tài)的難度。

3 結(jié)論

(1)稻草纖維含量的提高降低了ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能；隨著模壓溫度的升高，ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度先增大后減小；ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的最佳模壓溫度和最佳質(zhì)量比分別為170℃和100/30，此時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為22.9、39.56MPa和17.98kJ/m2；

(2)模壓成型過(guò)程中，溫度升高會(huì)使ABS中的聚丁二烯部分降解，導(dǎo)致ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度下降；秸稈纖維的部分半纖維素和木質(zhì)素的分解，有助于改善稻草纖維與ABS的界面相容性，進(jìn)而提高了ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度；當(dāng)模壓溫度為170～190℃、ABS樹脂/纖維質(zhì)量比為100/30和100/40時(shí)，稻草纖維具有較好的強(qiáng)度和分散性，此時(shí)ABS/稻草纖維木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能較好；當(dāng)模壓溫度為170℃時(shí)，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最佳；

(3)157℃之前，纖維含量的增加導(dǎo)致復(fù)合材料體系的流動(dòng)性降低；157℃之后，3種高纖維含量樣品的復(fù)數(shù)黏度隨著纖維含量的進(jìn)一步增大，復(fù)合材料的流動(dòng)性加強(qiáng)。

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PreparationandPropertiesofABS/StrawFiberComposites

ZHU Lingbo, TANG Qian, LI Peiqi, LI Xingong*

(Academy of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS)/straw fiber composites were prepared by compression molding without using coupling agents, and effects of molding temperature and fiber content on their properties were investigated by universal mechanical testing machine, thermogravimetric analysis, scanning electron microscopy, gel permeation chromatography and rheometer. Experimental results suggested an optimum molding temperature and an optimum fiber ratio for the preparation of the composite as 170 ℃ and 100/30, respectively. However, when the molding temperature reached 210 ℃, the straw fiber was seriously carbonized, and its surface silicon layer peeled off. In this case, the interface strength between the fiber and resin was reduced, but a compact network structure was formed by the fiber, which might enhance the absorption of impact energy. The relative molecular weight of ABS decreased with increasing the molding temperature, thus improving its impact strength. When the molding temperature and fiber content was set at 170～190 ℃ and 30～40 phr, respectively, the fiber straw achieved a good dispersion in the matrix was brilliant, thus leading to better mechanical properties for composites.

acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer; straw fiber; straw-plastic composite; mol-ding temperature; fiber content; mechanical property; rheological behavior

TQ325.2

B

1001-9278(2017)09-0073-08

10.19491/j.issn.1001-9278.2017.09.011

2017-04-14

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015SK2069)；國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201504503)

*聯(lián)系人，lxgwood@163.com