竹纖維/廢棄聚乙烯復(fù)合材料力學(xué)性能研究

楊慶永,阮芳濤,付應(yīng)平,夏成龍,胡程文,章勁草

(1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.上海楚江企業(yè)發(fā)展有限公司，上海 200000)

廢舊塑料資源化利用是處置塑料廢棄物的重要手段，能夠緩解資源和環(huán)境壓力。聚乙烯(PE)是應(yīng)用廣泛的熱塑性樹脂，2015—2019年國內(nèi)年產(chǎn)量均超過1 300萬t[1-2]。PE化學(xué)性能穩(wěn)定，可在自然環(huán)境中長期留存，易造成白色污染，破壞生態(tài)環(huán)境。而且，廢棄PE形成的微塑料會通過水、食物等進(jìn)入人體，對身體健康造成威脅。廢棄PE作為一種有機(jī)高分子材料，是潛在的再生資源，對其進(jìn)行合理再利用具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。目前，廢棄PE回收利用主要有物理法、化學(xué)法等[5-7]。

天然竹纖維是一種理想的纖維增強(qiáng)材料，它不僅具有獨(dú)特的物理、機(jī)械、抗菌性能，而且導(dǎo)濕性良好[8]。竹纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、耐磨、吸音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，可用于諸多領(lǐng)域。邱玉超等[9]利用木粉、竹粉等植物纖維與廢舊PE進(jìn)行復(fù)合，研究了多單體接枝共聚物在復(fù)合材料中的界面改性作用，證明了用氨基硅烷偶聯(lián)劑對纖維進(jìn)行處理能夠提高材料的綜合力學(xué)性能。周嚇星等[10]采用注塑成型法將廢舊PE和竹粉制備成竹塑復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)竹粉比例增加時，竹粉/廢舊PE復(fù)合材料的彎曲性能不斷增強(qiáng)，沖擊性能逐漸下降。復(fù)合材料的性能與竹纖維、樹脂及兩者之間所形成的界面高度相關(guān)，故改善界面相容性是制備性能優(yōu)良的竹塑復(fù)合材料的關(guān)鍵。PE為非極性聚合物，竹纖維表面有大量親水基團(tuán)，故制作竹纖維/PE復(fù)合材料時，其形成的界面性能較差[11]，通常需要添加界面相容劑來提高兩者間的界面結(jié)合力。何文等[12]通過添加占物料總質(zhì)量5%的順丁烯二酸酐，將竹纖維/PE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提升了56.2%。

本研究以竹纖維和廢棄PE為原料，采用人工梳理和模壓法制備了竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料，研究了不同含量的竹纖維和硅烷偶聯(lián)劑對復(fù)合材料拉伸、沖擊和彎曲性能的影響，通過觀察沖擊斷面分析了復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

竹纖維，山東鑫泰源新型材料科技股份有限公司，采用脫膠與軟化處理工藝，并通過開松去除木質(zhì)素等雜質(zhì)，分離纖維束，改善竹纖維的長度、細(xì)度和整齊度；PE薄膜，常州高創(chuàng)塑業(yè)有限公司，采用烘箱和紫外光照射促其老化；KH570型硅烷偶聯(lián)劑，山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

JM-A20001型電子天平，諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司；PH-010A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；YLJ-HP300型平板熱壓機(jī)，深圳科晶智達(dá)科技有限公司；WCW-20型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；XJJ-50S型數(shù)顯簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司；GP-300C型高清CCD測量顯微鏡，昆山高品精密儀器有限公司；S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 樣品制備

1.3.1竹纖維處理

將脫膠處理的竹纖維置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570型硅烷偶聯(lián)劑水溶液中，浸泡3 h后烘干。

1.3.2制備竹纖維增強(qiáng)PE預(yù)浸料片材

采用模壓成型方式制備竹纖維和廢棄PE質(zhì)量比分別為6∶3、7∶3、8∶3、9∶3和10∶3的5類熱塑性樹脂預(yù)浸料片材，模壓溫度145 ℃，壓強(qiáng)4 MPa，同時準(zhǔn)備未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的竹纖維增強(qiáng)PE作為對照組。

1.3.3制備竹纖維增強(qiáng)PE復(fù)合板材

對預(yù)浸料片材進(jìn)行疊層后模壓，模壓溫度150 ℃，壓強(qiáng)6 MPa，時間5 min，隨后保壓至冷卻，板材尺寸為15 mm×15 mm×3 mm，之后切裁為拉伸、彎曲和沖擊性能測試樣條。竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料制備過程詳見圖1。

圖1 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料制備過程Fig.1 Preparation process of bamboo fiber/waste PE composite material

1.4 性能測試

拉伸性能：按GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定 第1部分：總則》[13]，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試，拉伸速度為2 mm/min，記錄試樣的載荷應(yīng)變，拉伸試樣長度為150 mm、寬度為13 mm。

三點(diǎn)彎曲性能：按GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》[14]，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測量材料的三點(diǎn)彎曲性能，試樣的跨距比為32∶1，寬度為13 mm，長度比跨度大20%，測試速度為 2 mm/min。

沖擊性能：按GB/T 1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》[15]，采用簡支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測試試樣的沖擊強(qiáng)度和吸收能。擺錘能量為7.5 J，沖擊速度為3.8 m/s，擺錘預(yù)揚(yáng)角為160°，支撐線之間的距離為40 mm，試樣長度為60 mm、寬度為10 mm。

以上所有測試的有效試樣不少于5個。

掃描電子顯微鏡(SEM)觀察：通過噴金處理，采用SEM觀察處理前和處理后的竹纖維表面形貌。

破壞面觀察：采用高清CCD光學(xué)測量顯微鏡，觀察兩個對照組沖擊破壞后不同竹纖維含量試樣表面的斷面分層情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 偶聯(lián)劑處理對竹纖維表面形貌的影響

圖2是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570型硅烷偶聯(lián)劑處理前后竹纖維表面SEM圖，可以觀察到處理前的竹纖維表面較光滑，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的竹纖維表面出現(xiàn)了一層樹脂狀物質(zhì)，偶聯(lián)劑附著在纖維表面，有利于與PE復(fù)合，提高界面相容性。

2.2 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的拉伸性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度見圖3。由圖3可知，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)和溫度條件下，竹纖維含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響最大，改性處理對其影響次之，改性后復(fù)合材料的拉伸性能均優(yōu)于未改性的復(fù)合材料。對于相同竹纖維含量(比例)的復(fù)合材料，改性后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大增幅為25.5%。此外，在相同條件下，隨著竹纖維含量的上升，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度先下降后上升，且均在竹纖維與PE質(zhì)量比為8∶3時最小，性能最差，當(dāng)質(zhì)量比由9∶3上升到10∶3時，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化較小。由此推測，在145 ℃左右、加壓4 MPa、保溫保壓25 min條件下，竹纖維與PE的質(zhì)量比為6∶3時，纖維與樹脂基體之間的界面黏合強(qiáng)度較大，對照組的偶聯(lián)劑能較充分地發(fā)揮其對竹纖維與PE樹脂間界面黏合性、相容性的改善作用。當(dāng)竹纖維含量升高時，復(fù)合材料的厚度也會增加，而原加壓溫度和壓力不足以使PE熔體充分浸漬竹纖維，此時界面黏合性對復(fù)合材料性能起主要影響作用，而當(dāng)竹纖維含量增至一定程度時，纖維總強(qiáng)力、纖維之間的抱合力對復(fù)合材料性能起主要影響作用。竹纖維與PE的質(zhì)量比由9∶3上升到10∶3時，復(fù)合材料中竹纖維含量提升較少，且由于PE浸入竹纖維內(nèi)部困難，使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。

圖3 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of different contents of bamboo fiber and coupling agent modification treatment on the tensile strength of composite materials

2.3 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的彎曲性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度見圖4。由圖4可知，對于竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料來說，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)和溫度條件下，竹纖維含量對復(fù)合材料彎曲性能影響最大，偶聯(lián)劑改性處理次之。對于改性組和未改性組來說，各比例復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有一定提升。在相同的工藝條件下，當(dāng)竹纖維含量上升時，不論是改性組還是未改性組，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均先上升后下降，且在竹纖維與PE質(zhì)量比為7∶3時復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最大。由于竹纖維含量上升，PE很難浸入竹纖維，其復(fù)合材料受到彎曲作用時基體發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度降低。

圖4 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of modification treatment of bamboo fiber with different contents and coupling agent on the flexural strength of composite materials

2.4 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的沖擊性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度見圖5。由圖5可知，對于竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料來說，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)與溫度條件下，無論是改性組還是未改性組，當(dāng)竹纖維含量上升時，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度均先上升后下降，各比例改性組的沖擊強(qiáng)度均有不同程度增加，其中竹纖維與PE質(zhì)量比從6∶3提升至7∶3時復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度變化較大，且在質(zhì)量比為7∶3時達(dá)到最佳，而在質(zhì)量比從7∶3提升至10∶3時沖擊強(qiáng)度只有小幅增加。對于相同竹纖維含量的改性組和未改性組，改性組復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大增加約 36.03%。此外，在各比例改性組和未改性組內(nèi)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度極差分別為3.98 kJ/m2和 2.28 kJ/m2。由于竹纖維含量上升，PE浸入竹纖維內(nèi)部困難，其內(nèi)部形成的界面較差，力傳遞時其界面不足以承擔(dān)其載荷，導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降。

圖5 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of modification treatment of bamboo fiber with different contents and coupling agent on the impact strength of composite materials

2.5 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的破壞面觀察

采用高清CCD測量顯微鏡，分別對不同竹纖維含量的復(fù)合材料沖擊破壞面進(jìn)行觀察，部分破壞面如圖6所示。

圖6 試樣的沖擊破壞面Fig.6 The surface of the impact-damaged specimen

如圖6所示，未經(jīng)改性處理的復(fù)合材料試樣，其沖擊破壞面有較為明顯的分層現(xiàn)象，改性處理后試樣的破壞面雖然也存在分層現(xiàn)象，但明顯減少，說明偶聯(lián)劑改性處理對竹纖維與PE界面黏合性、相容性和黏結(jié)強(qiáng)度的改善作用明顯。此外，在相同的模壓壓強(qiáng)、溫度和模壓層數(shù)條件下，不論是改性組還是未改性組，隨著竹纖維含量的增加，復(fù)合材料沖擊破壞面的分層現(xiàn)象都有逐漸增加的趨勢，其中改性處理的復(fù)合材料竹纖維與PE質(zhì)量比在6∶3時幾乎看不到分層現(xiàn)象，而竹纖維與PE質(zhì)量比從7∶3提升至10∶3時，分層現(xiàn)象逐漸明顯，竹纖維與PE質(zhì)量比在7∶3左右時，竹纖維與樹脂之間形成的界面性能較好，復(fù)合材料的界面相容性較佳。這主要是因?yàn)橹窭w維含量上升時，PE浸入竹纖維內(nèi)部較困難，形成的界面較差，所以其分層現(xiàn)象逐漸明顯。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)偶聯(lián)劑處理的竹纖維表面有偶聯(lián)劑附著；偶聯(lián)劑改性處理對竹纖維與PE界面黏合性、相容性和黏結(jié)強(qiáng)度的改善作用明顯。

(2)竹纖維含量增加，竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的拉伸性能先下降后上升，彎曲性能和沖擊性能先上升后下降。改性前后竹纖維與PE質(zhì)量比分別為9∶3和6∶3時，復(fù)合材料拉伸性能最好；竹纖維與PE質(zhì)量比為7∶3時，復(fù)合材料的彎曲性能和沖擊性能最好。