麥秸粉粒徑對(duì)微發(fā)泡木塑復(fù)合材性能的影響

高振棠

(濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000)

麥秸粉粒徑對(duì)微發(fā)泡木塑復(fù)合材性能的影響

高振棠

(濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東 濟(jì)寧 272000)

采用擠出成型方式制備麥秸/聚乙烯微孔發(fā)泡復(fù)合材料，研究麥秸粉不同粒徑(40～60目、60～80目、80～120目)對(duì)復(fù)合材料密度、彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度的影響并通過掃描電鏡觀察泡孔結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：隨著麥秸粉粒徑的減小，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度增加，沖擊強(qiáng)度、密度呈先增加后降低趨勢(shì)，泡孔結(jié)構(gòu)由疏到密、由大到小。

麥秸粒徑；力學(xué)性能；微孔發(fā)泡；泡孔結(jié)構(gòu)

微孔發(fā)泡木塑復(fù)合型材是以熱塑性塑料為基體，木屑或植物纖維作為主要填充料，表面結(jié)皮、芯層發(fā)泡的一種低發(fā)泡擠出制品，是木塑復(fù)合材料新的發(fā)展方向[1]。小麥為北方大量種植的糧食作物，麥秸為其廢棄物，麥秸的化學(xué)成分包括40.40%的纖維素、25.56%的半纖維素、22.34%的木質(zhì)素及其他成分。其中纖維素呈纖維狀，半纖維素是分子量較小的親水性物質(zhì)，在纖維中呈粉末狀，吸水性能比纖維素高得多，而木質(zhì)素呈球形或塊狀、有親水性[2]。由于麥秸粉由機(jī)械粉碎而成，不同粒徑的麥秸粉具有不同的表面粗糙度和長(zhǎng)徑比。麥秸粉的粒徑越大，其表面的粗糙度越大，徐加友[3]研究發(fā)現(xiàn)較大表面粗糙度有助于形成較深界面層及機(jī)械互鎖，從而提高復(fù)合材料力學(xué)性能。當(dāng)前有關(guān)麥秸的粒徑對(duì)木塑復(fù)合材料性能影響的研究較少，對(duì)于微孔發(fā)泡狀態(tài)下粒徑對(duì)復(fù)合材料性能的影響研究更少，本研究以麥秸為例研究微孔發(fā)泡狀態(tài)下麥秸粒徑與泡孔結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能關(guān)系。為了探討麥秸粉粒度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，將粉碎的麥秸粉碎進(jìn)行篩選分目，取不同粒度范圍的原料進(jìn)行試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 主要原料

高密度聚乙烯(DMD1158)，山東齊魯石化公司；馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，市售工業(yè)級(jí)；AC發(fā)泡劑(HG2096-2097-91)，山東桓臺(tái)博祥化工有限公司；麥秸為淄博當(dāng)?shù)厥崭睢?/p>

1.2 主要設(shè)備

高速混合機(jī)，自制；Sirion200場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)，荷蘭FEI公司；SJZ-45/90B錐形雙螺桿擠出機(jī)，上海金湖擠出設(shè)備有限公司；FC-320錘片式粉碎機(jī)，山東省章丘市瑞豐機(jī)械廠。

1.3 麥秸粉的制備與成型

麥秸粉是在淄博當(dāng)?shù)厥崭盍罆窈蠼?jīng)錘片式粉碎機(jī)粉碎后，分別用40～120目篩子過篩制得(指透過40目篩留在120目篩之上)。使用前在105 ℃烘箱中干燥24 h。3種不同的粒徑麥秸粉試樣(圖1)：a.麥秸粉過40～60目的篩網(wǎng)，麥秸粉粒徑250～380 μm間，呈球狀表面較粗糙；b.麥秸粉過60～80目的篩網(wǎng)，麥秸粉粒徑在180～250 μm間，粉末較少，纖維較多；c.麥秸粉過80～120目篩網(wǎng)，麥秸粉粒徑在120～180 μm間，纖維狀較少，粉末狀較多，表面粗糙度較小[4-5]。

圖1 麥秸粉粒徑

將干燥好的麥秸粉與高密度聚乙烯及其他助劑混合好后放入異向錐形雙螺桿擠出機(jī)中擠出成型，擠出成型尺寸為15 mm×55 mm片材冷卻，切割加工成測(cè)試所需試樣。擠出試驗(yàn)中，擠出溫度設(shè)定為：155 ℃，170 ℃，180 ℃，160 ℃，165 ℃；主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速控制在5.5 r·min-1左右。

1.4 性能測(cè)試

拉伸強(qiáng)度、彎曲性能、缺口簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度、密度分別按照GB/T 1040.2—2006塑料拉伸性能測(cè)試方法[6]、GB/T 1449—2005塑料彎曲性能試驗(yàn)方法[7]、GB/T 1043—2008塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定[8]、GB/T 1463—2005纖維增強(qiáng)塑料密度測(cè)試方法[9]測(cè)試、SEM實(shí)驗(yàn)：將試樣斷面真空鍍金在掃描電鏡下觀察并拍照。3次重復(fù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 麥秸粉粒度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖2可以看出，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度隨著麥秸粉粒徑的減小，呈先上升后下降的趨勢(shì)，在60～80目的范圍時(shí)，力學(xué)性能達(dá)到最大值，麥秸粉粒徑繼續(xù)減小(超過80目以后)，力學(xué)性能略有下降，這是由于60～80目麥秸粉呈纖維狀，麥秸纖維的增多大大增加復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度；由纖維增強(qiáng)理論可知，纖維小于臨界長(zhǎng)度，應(yīng)力則無法傳遞到纖維上，纖維起不到增強(qiáng)的作用。所以當(dāng)外力作用到復(fù)合材料上時(shí)，纖維很容易從基體中脫離出來，起不到增強(qiáng)作用，致使力學(xué)性能下降[6-8]。同時(shí)80目以上的麥秸粉呈粉末狀，隨著粒徑的減小，表面粗糙度減小，麥秸粉與聚乙烯的界面層深度減小，同時(shí)機(jī)械互鎖能力減小，因此其沖擊強(qiáng)度比粒徑40～60目的復(fù)合材料小。彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度隨著粒徑的減小而增加。這是由于隨著粒徑的減小，麥秸粉比表面積增大，馬來酸酐接枝界面層增強(qiáng)，復(fù)合材料的空隙率減小，密實(shí)程度增加，單位面積承載能力增加，但密度也隨之增加，彎曲強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度增大；在麥秸粉粒徑在80目以上時(shí)，隨著麥秸粉粒徑減小，小粒徑的麥秸粉在發(fā)泡成核時(shí)可以充當(dāng)成核劑的作用，從而使泡孔變得細(xì)密均勻，從而使復(fù)合材料密度下降[9]。

2.2 麥秸粉粒徑對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖3可知，麥秸粉的粒徑越小，提供的成核點(diǎn)越多，泡孔就會(huì)小而密集；反之泡孔就會(huì)大而疏。經(jīng)典成核理論認(rèn)為氣泡必須具有的2個(gè)成核條件：過飽和氣體和成核點(diǎn)。熔體中存在除了溶有過飽和氣體的聚乙烯以外還包括麥秸粉，泡孔的成核模式包括均相成核和非均相成核，本體系中均相成核相差不大，非均相成核表現(xiàn)在麥秸粉粒徑的不同不僅提供了大量的氣、液、固界面，同時(shí)小粒徑更提供了大量的成核點(diǎn)，對(duì)氣泡成核影響較大。由圖3a可知，40～60目的麥秸粉粒徑較大，表面粗糙，提供了較多的成核機(jī)會(huì)；由圖3b可知，60～80目的麥秸粉以纖維狀為主，雖然也能提供較多的界面，但是氣泡生長(zhǎng)過程中氣體很容易從纖維狀的表面逃逸，使得泡孔大疏；隨著氣泡的增大，纖維與基體被剝離開，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度較低。由圖3c可知，80目以上麥秸粉粒徑更小，提供的界面更多，同時(shí)氣體以細(xì)小的麥秸粉為成核劑，增加了體系的成核速率使得泡孔更加密集。

圖2 麥秸粉粒徑對(duì)復(fù)合材料性能的影響

圖3 麥秸粉粒徑對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)影響

3 小結(jié)

隨著麥秸粉粒徑的減小，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度增加，沖擊強(qiáng)度呈先增后降趨勢(shì)；隨著麥秸粉粒徑的減小，復(fù)合材料的密度呈先增后降趨勢(shì)。掃描電鏡證實(shí)了麥秸粉粒徑減小泡孔結(jié)構(gòu)由疏到密、由大到小，為今后研究粒徑與泡孔結(jié)構(gòu)提供了新的途徑。

[1]何繼敏.新型聚合物發(fā)泡材料及技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：10-20.

[2]魯博，張林文，曾竟成，等.天然纖維復(fù)合材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：1-10.

[3]徐家友.木粉粒徑對(duì)PVC/木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].塑料制造，2009(5)：73-75.

[4]高振棠，柏雪源，蔡紅珍，等.HDPE/麥秸粉微孔發(fā)泡復(fù)合材料擠出工藝的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2008，36(3)：40-43.

[5]高巧春，高振棠，蔡紅珍，等.微孔發(fā)泡麥秸/聚乙烯復(fù)合材料的開發(fā)[J].木材工業(yè)，2008，22(6)：17-19.

[6]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 1040.2—2006，塑料拉伸性能的測(cè)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[7]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 1449—2005，塑料彎曲性能試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[8]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 1043—2008，塑料簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[9]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 1463—2005，纖維增強(qiáng)塑料密度測(cè)試方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[10]周聰，王美珍，吳智華.加工參數(shù)對(duì)PP/木粉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2009，21(1)：1-4.

[11]葛正浩，石美濃，陳偉博，等.不同種類木纖維對(duì)PE基微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料的性能影響[J].塑料，2012，41(6)：14-16.

[12]李蘭杰，劉得志，陳占勛，等.木粉粒徑對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2005，17(5)：21-24.

[13]蔡紅珍，柏雪源，易維明，等.麥秸/聚乙烯復(fù)合材料的研究[J].林業(yè)科技，2007(11)：42-44.

The Influence of Wheat Straw Powder Particle Size on Microcellular Foaming Wheat Straw/PE Composites

GAO Zhen-tang

(JiningTechincianCollege，Jining272000，Shandong，China)

Microcellular straw/PE composites was prepared by extrusion process，the effects of different particle size(40～60 mesh，60～80 mesh，80～120 mesh) of wheat straw powder on density, bending strength,tensile strength,impact strength and micro-structure of Composites were studied. The results showed that with the decrease of the particle size of wheat straw powder, bending strength and tensile strength of composites increased, the density and the impact strength of composites presented decreased trend after the first increased. Bubble pore structure was observed by scanning electron microscope.With the straw powder particle size decreasing，bubble pore structure was from sparse to dense, from big to small.

size of wheat straw powder；mechanical property；microcellular foaming；pore structure

2014-10-10；

2014-11-05

國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金(2013GB2C600274)

高振棠(1974—)，男，山東濟(jì)寧人，濟(jì)寧市技師學(xué)院講師，碩士，從事生物質(zhì)基復(fù)合材料研究。E-mail：gaozhentang@163.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.03.014

S781.2；TQ328.2；TB332

A

1002-7351(2015)03-0067-03