改性纖維素納米纖維增強聚乙烯樹脂復合材料的研發(fā)

改性纖維素納米纖維增強聚乙烯樹脂復合材料的研發(fā)

近年來，纖維素納米纖維（CNF）作為可再生新材料引人注目。該文介紹了日本最近研發(fā)的改性CNF增強聚乙烯（PE）樹脂復合材料，以及改性CNF增強PE的注射成形條件和獲得的試驗片的力學性能和結(jié)晶配向性關系的研究結(jié)果。

1 前言

近年來，纖維素納米纖維（CNF）作為可再生新材料引人注目，在黏度調(diào)節(jié)劑、涂料、電子/包裝材料等多種用途方面，進行了以實用化為目的的開發(fā)。日本開發(fā)了能提高與聚乙烯（PE）界面黏結(jié)強度的疏水改性CNF，并用作與PE復合的材料，大大提高了其力學性能。用透射電子顯微鏡（TEM）觀察通過注射成形制成的試驗片時，觀察到了在射出方向PE的擴展鏈和CNF的串狀延伸，薄片在其周圍形成的串晶結(jié)構(gòu)。由此推測，改性CNF不僅有助于本身的物理性能及其界面黏結(jié)強度，還有助于對PE配向狀態(tài)的控制，具有優(yōu)異的力學性能。一般來說，PE等結(jié)晶性高分子置于剪切場中，會取得串晶結(jié)構(gòu)，同時，剪切狀態(tài)極大地影響了成形時的條件。

本文介紹了最近研發(fā)的改性CNF增強PE復合材料，以及改性CNF強化PE的注射成形條件和獲得的試驗片的力學性能及結(jié)晶配向性的關系的研究結(jié)果。

2 實驗

2.1 樣本制作

改性纖維素和高密度PE以17∶83的質(zhì)量比混合后用雙輥擠出混練機（螺旋直徑15 mm，L/D=45，轉(zhuǎn)速200 r/min，混練溫度140℃）進行混練，作為改性CNF/PE復合材料顆粒使用。

獲得的顆粒投入到注射成形機中（氣缸溫度140～160℃，金屬模具溫度40℃），制成啞鈴狀試樣。

2.2 評價方法

力學性能：通過啞鈴狀試樣的抗張強度測試進行評價。

結(jié)構(gòu)觀察：將啞鈴狀試樣切成20 μm厚的薄片，同時使用了靈敏色板（530 nm）的偏光顯微鏡（測定）的光學延遲量評價。

剪切黏度：通過毛細管曲線測定。

3 結(jié)果

3.1 注射條件對抗張強度的影響

為了確認注射成形機的填充速度和氣缸溫度對啞鈴狀試片強度的影響，圖1比較了在表1所示條件下的力學性能（抗張強度，彈性率）。

圖1 力學性能評價結(jié)果

表1 注射成形條件

由表1和圖1可以看出：改性CNF復合材料（試樣2）的力學性能明顯比純PE材料（試樣1）提高；金屬模具的填充速度從 1．5 mL/s降低到 0．8 mL/s后的試樣3的力學性能進一步提高；試樣4將氣缸溫度從160℃降低到140℃，并再次將填充速度提高到1．5 mL/s，其強度變成與試樣2大體相同；將氣缸溫度降低到140℃，填充速度降低到0．8 mL/s的試樣5顯示出復合材料中最優(yōu)良的力學性能。

3.2 注射成形的偏光顯微鏡觀察

為調(diào)查其原因，測定了試樣的結(jié)晶取向性。對啞鈴狀試樣片進行了偏光顯微鏡觀察，比較了試樣的延遲量。所謂延遲就是將多屈折體中的2束光線的偏差換算成在空氣中的距離的數(shù)值，晶體長得越大數(shù)值越大。試樣的延遲量如圖2所示。

圖2 試樣的延遲量

由圖2可見：純PE材料（試樣1）的外殼部（皮層）的延遲量常常比內(nèi)部（芯層）大，而改性CNF復合材料（試樣2和試樣4）的芯層與皮層一樣延遲量都較大；機械性能最優(yōu)的試樣5的延遲量最大。這說明，與純PE材料相比，這些試樣在更深的內(nèi)部形成了串晶構(gòu)造。

3.3 熔融黏度和流動性

通過比較延遲量，觀察到力學性能優(yōu)良的試樣的結(jié)晶集中在射出方向上配向。而且，CNF復合材料中射出速度低，氣缸溫度低的試樣其力學性能最優(yōu)。為了確認其原因和注射成形時材料所受剪切力的關系，用毛細管曲線求出了溫度在140～160℃條件下的改性CNF/PE復合材料的剪切速度和黏度的關系，如圖3所示。

由圖3可見，剪切速度越高黏度越小，并且在剪切場中溫度降低時的黏度差變小。

4 總結(jié)

試樣的機械性能隨填充速度的低速化和氣缸溫度的低溫化而提高，試樣內(nèi)部結(jié)晶的配向性更強。但是，過去的研究曾報告在剪切量（剪切速度和剪切時間的乘積）固定的條件下，強剪切速度加短時間比弱剪切速度加長剪切時間更能使結(jié)晶結(jié)構(gòu)長大，但有意思的是，本研究結(jié)果顯示低剪切速度的結(jié)晶配向更加強烈。

圖3 CNF/PE復合材料的剪切速度與黏度的關系

CNF強化材料的物理性能隨成形條件的不同而不同，并且因模具厚度、形狀、通道（spool）、澆口（gate）和形狀等不同而不同，可以說用實際的模具無法評價或不能準確評價，需要進一步解析物理性能形成的詳細原因。

（杜偉民 編譯）

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（李振遠）