稻壳聚乙烯复合材料力学性能

稻壳/ 聚乙烯复合材料力学性能 蔡红珍， 柏雪源，易维明，高巧春， 王丽红 ( 山东 理 工大学 轻工与农业工程学院 ， 山 东 淄博 2 5 5 0 4 9 ) 摘要: 本文探讨了 稻壳聚乙 烯复合材料中各组分对其主要力学性能的影响。 通过方差分析得出结论: 稻壳添加量对主要力学性能都有显著性影响; 硅烷添加量对冲击强度和弯曲 强度有显著性影响:玻 璃纤维只对弯曲 强度有显著性影响。 关键词:稻壳粉;聚乙 烯;组分;力学性能 中图分类号: T K 6文献标识码:A 1引言 稻壳是 碾 米厂的 加 工副 产品， 约占 稻壳 总 产量的2 0 % ， 目 前全世 界 产 稻壳6 0 M t 以 上川 . 长期以 来，国内 外对稻壳的综合利用进行了 广泛的研究， 获得了许多可利用的途径， 但真正能够形成规模 生产， 大量消耗稻壳的 利用途径并不多。 或是经济效益不显著、 增值不大， 或是在工艺上、 质量上、 环境污染等方面还存在一些问题， 因此， 许多地方把稻壳视为废弃物， 这不但浪费了资源， 而且污 染了 环境。 研究解决 稻壳的 合理利用， 变 废为宝， 意义重大2 1 0 木塑复合材料具有比 单独的木质材料或塑料产品更优异的性能，兼有二者的优点，并且具有代 木、 节木、 保护森林资源、 维护生态平衡的功能，具有传统的木材和塑料所不及的性能. 与木质材 料相比， 具有干湿状强度高、尺寸稳定性好、材质均一、 耐水性能好、强重比 高等优点， 且易制成 各种 形状的 制品; 与塑 料、 金属 等 材 料相比 ， 具 有热稳 定 性 好， 低毒、 不锈蚀、 成本 低等优点 3 - 5 1 0 目 前，利用稻壳制造复合材料已成为木塑复合材料行业的热点，利用稻壳制造材料，将会节约大量 的 木材， 缓解木材供应紧张的 局面，同时能减少稻壳被丢弃和废旧塑料对污染环境问 题. 木塑复合材料的关键技术问 题是两相界面相容性的提高， 在这方面，国内外学者做了大量的研 究，结果表明;硅烷偶联剂、钦酸脂偶联剂、硬脂酸、MA P E( 马来酸醉改性的聚乙烯)等偶联剂 的加入以及对稻壳等植物纤维进行物理改性都能改善复合材料的界面相容性，提高复合材料的力学 性能 6 - 8 1 a 本文初步探讨用稻壳和聚乙 烯为主要原料， 应用塑料改性、 植物纤维改性以 及改善界面相容性 等技术手段， 稻壳、塑料与助剂一起熔融、 棍炼再加工成型制成复合材料. 通过方差分析得出配料 中各组分对复合材料力学性能的影响是否显著。 2实验材料与方法 2 . 1 原料 稻壳粉:2 0 - 8 0目，自 制; 高密度聚乙 烯 ( H D P E ) : D M D Y 1 1 5 8 ， 齐鲁石化: 偶联剂:硅烷，工业级，市售; 加强剂:玻璃纤维，市售; 其它:硬脂酸钙、石蜡等:工业级，市售。 2 . 2仪器设备 挤出 机: S J S Z 4 5 / 9 0 B 锥形双螺杆挤出 机; 高速混合机:自 制; 组合式高速粉碎机:型号为S F - 2 5 0 ，上海中药机械厂: 电热恒温鼓风干燥箱:型号为D H G - 9 6 2 3 A ，上海精宏实验设备有限公司; 万能试验机:型号为W D W 1 0 2 0 ，长春科新公司: 冲击实验机:型号为X J J - 5 ，承德试验机有限公司; 万能制样机:型号为Z H Y - W ，承德试验机有限公司。 2 . 3试验方法 2 . 3 . 1 配方设计 配方是决定复合材料性能的关键因素， 其加工使用性能与原料构成有着密切的关系。 根据塑料 和植物纤维的特点以 及木塑复合材料的使用要求及其成型加工工艺要求，设计配方时主要考虑: ( 1 )加入适量的植物纤维，提高复合材料的刚度，并使之有木质感; ( 2 ) 加入适量的加强剂， 提高复合材料的强度; ( 3 )加入适量的偶联剂，提高植物纤维和基体塑料之间的界面结合力; ( 4 )加入适量的稳定剂和抗氧化剂，减缓塑料和植物纤维在加工过程中的降解和烧焦; ( 5 ) 加入适量的润滑剂， 提高体系的分散性和物料的流动性。 实 用配方中 各组份的 具体品 种和用量根据木塑复合材料的 使用要 求以 及生 产工艺决定，同 时 要 考虑生 产成本。 综合 考虑以 上的所有因 素， 给出了 木塑复 合材料 挤出 成型的 一种配方如表1 所示。 表 1 挤出木塑复合材料的配方 塑料植物纤维加强剂 塑料粒料 3 0 5 0 稻壳等 5 0 7 0 玻璃纤维 1 - 5 偶联剂 硅烷等 1 - 5 抗氧化剂 硬脂酸钙 1 - 5 稳定剂 DL T P 1 - 5 润滑剂 石蜡等 2 . 3 . 2 试验方案 试验选用三因素三水平完全试验的 方案， 三因素是稻壳、 玻璃纤维和硅烷偶联剂， 水平是三水 平，试验指标是冲击强度、弯曲强度、抗拉强度和断裂伸长率.实验因素与水平及试验安排如表 2 所示， 其他助剂是相对于聚乙 烯和稻壳的总量的百分含量. 表2 实验因素与水平及实验安排 序号 一 XI l 稽 元 ) 实验安排 X z ( 玻纤) 实验囚素与水平 X 3 ( 硅烷) 1 稻壳玻璃纤维硅烷 nU八Un朴q口，J空dl甘p勺bnUU工U内J丹J内J工勺勺-bl介U00njnJ丹J工口口d 鸽Ul曰产Jn飞曰弓八”凡Jlf口neefJ悦n内J弓梦0几J咤叶U，J咤甘n1曰弓口0几J弓 505050505050505050606060606060606060707070707070707070 -l-l-l000111-l-l-l000111-l-l-l000111 -l01-l01-l01-l01-l01-101-l01-l01-l01 - 1 - 1 1一 1 2 - 1 3 - 1 4 - 1 5 - 1 6一 1 7- 1 8 0 9 0 1 0 0 1 10 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 6 0 1 7 1 1 8 1 1 9 1 2 0 1 2 1 1 2 2 1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 2 6 2 7 注:1 聚乙烯十 稻壳二 1 0 0 ，其他助剂是相对于聚乙 烯和稻壳的总量的百分含量. 2 . 3 . 3 工艺过程 ( 1 )植物纤维的预处理 为了 增加植物纤维与塑 料结合的 表面积， 提高 成品的 物理力学 性能， 必须 对稻壳等植物纤维 进 行分选去杂、粉碎烘千、改性等预处理。用组合式高速粉碎机把稻壳粉碎，粒度一般要求在 2 0 一 80 目 之间 卜 101 ， 要求 无霉变、 无结 块、 无杂物。 稻壳 粉的 吸 水 性很强， 在实 验前必 须 经过 干 燥处理， 以 排除 水 分 和 低 分 子 挥 发 物 11 1 。 ( 2 )混合 混合过程仅增加各组分微小粒子空间分布的无规则程度， 而不减少粒子本身尺寸。 在混炼前用 混合的方法使得原辅材料先有一定均匀性，以 缩短混炼时间，由于原料不均匀，混炼除需较长时间 外， 聚合物也易降 解， 从 而影响制品 质量。 因此在混炼前 将物料预先混合就显得很重要。 配方的组 份很多， 加 料顺 序是严 格的 。 所选 择的 加料 顺序 应有 利于 助剂作 用的 发 挥， 避免助 剂的 不良 协同 效 应， 还要提高分散速度。 ( 3) 混炼造粒 造粒的目 的是使复合材料混料进行热熔、 混炼， 使木塑预塑化， 排除挥发物，以 便在生产型材 时，能够完全塑化. 造粒工序中， 借助加热和剪切等的作用， 促使木塑混料剪切混合、塑化、去除 挥发物。 ( 4 ) 挤出成型 将混合料加 入锥双挤出 机中 、， 进行挤出。 在挤出 成型的 过程中， 挤出 温度、 螺杆转速、 挤出 压 力、 冷却定型、 牵引 速度和加料速度等参数直接影响到物料的 成型性能和混合过程， 并对最终的结 构有很大的影响。温度是木塑复合材料挤出成型的一个重要的工艺条件，是影响塑化及材料质量的 主要因素，各段的温度尽可能稳定，尤其是机头的温度控制必须保证在合适的范围内，高出合适的 范围， 挤出 样品 炭 化， 强 度降 低， 低于 合适的 范围 ， 出 料不 均匀， 有塑 料 颗粒没 有 熔融 112 1 。 表3 是 挤出过程中设定的温度。 表 3挤出机各段的温度 I 段1 1 段 1 6 5 、 1 7 0 1 7 5 1 8 0 1 1 1 段 1 8 5 1 9 0 I V段 1 7 5 1 8 0 机头段 1 6 0 8 0 2 . 4测试方法 冲击强度: 试样选用1 类， 缺口 选用A 型， 按照标准G B / T 10 4 3 一 93 硬质塑料简支梁冲击试验方 法在室温下进行测试， 试验数据全部计算结果取两 位有效数字， 以10个有效试验数据的 算术平均值 表示试验结果; 弯曲强度:按照 G B / T 9 3 41一 2 0 0 0塑料弯曲性能试验方法在室温下进行测试，加载速度为 Z m m / m in， 弯曲 到试 样厚度的1 . 5 倍时 得到材料的 弯曲 强度， 试验数据取两位有效数字， 以 五个有效 试验数据的 算术平均值表示 试验结果; 拉伸强度及断裂伸长率: 试样选用1 类， 加载速度为 Z mm/ min ， 按照G B / T10 4 O 一 92塑料拉伸性 能 试验方 法 在室温 下 进行 测 试， 通过 测 试得到 材 料的 拉 伸强 度、 断 裂伸 长率等。 试验数 据 两位有效 数字，以五个有效试验数据的算术平均值表示试验结果。 3 结果与分析 3 . 1 测试结果 表4力学性能测试结果 因素分布力学性能 X 3 冲击强度(K J / m Z ) l l l l 1 l 1 l . l 0 0 0 弯曲 强度 (M P a ) 1 6 . 4 9 1 7 . 2 8 1 9 . 7 4 1 60 9 1 4 . 9 9 9 . 4 2 抗拉强度MP a ) 1 0 . 5 4 8 . 9 4 1 3 . 1 5 1 0 . 5 2 1 1 . 2 2 1 0 . 3 2 断裂伸长率( %) -xl 序号 6 7 . 01 -1l : 8 . 4 0 9 . 6 3 7 . 8 7 9 . 4 3 7 . 2 3 6 ， 5 7 1 1 . 6 0 s.04 7 . 3 7 5 . 4 7 6 . 1 0 4 . 2 0 气QJ卜UQ n，4X， .: 6八OJ工材00了 U叼0，月兮.、一，QI ，了Q亡JOO，口，月峥月呀 lllf叶1月兮0八一，且伟J月份 气，1，.盈1.压1且1.1 -1-l-l000 0592 气一n，、介 0矛0丹 . 口.且门.压 XZ-l01-l01-l01-l0 123456789101112 6 . 3 1 1 9 . 7 2 6 . 5 6 1 1 . 0 5 6 . 4 5 6 . 5 4 4 . 1 9 4 . 9 0 5 . 3 5 5 . 7 8 8 . 9 3 4 . 4 2 4 . 1 6 3 . 6 5 4 . 5 6 1 2 . 8 5 1 6 . 2 5 1 4 . 1 3 1 5 . 2 8 1 3 . 1 6 1 2 . 6 9 9 . 1 0 9 . 2 4 1 0 . 0 4 1 1 . 6 8 1 2 . 7 0 8 . 1 7 9 . 4 7 8 . 4 9 7 . 8 5 8 . 5 9 4 . 4 0 8 . 8 8 5 . 2 0 8 . 7 9 5 . 2 3 8 . 1 2 4 . 8 0 7 . 9 3 5 . 4 7 7 . 9 3 5 . 4 7 5 . 6 4 4 . 3 7 5 . 7 3 4 . 6 7 6 . 0 9 3 . 2 0 5 . 8 1 3 . 8 3 5 . 2 1 2 . 5 0 4 . 9 0 2 . 4 0 5 . 2 6 3 . 1 0 5 . 3 6 2 . 0 3 4 . 5 2 2 . 4 7 000111-l-l-1000111 -l01-l01-l01-l01-l01 一0八U八甘OeeUn111111111 内J4弓口6，矛0砚90.1，傀j4呢叶6，. 1111111件22，自，白凡， 3 . 2 试验结果分析 把表 4中的数据进行方差分析，讨论试验因素对试验指标影响是否显著，分重复试验和非重复 试验两种情形。本试验在分析稻壳添加量、玻璃纤维添加量以及硅烷添加量三因素对冲击强度、弯 曲强度、抗拉强度以及断裂伸长率四个试验指标的影响时，进行的是非重复试验，试验重点是研究 该试验的三元方差分析. 3 . 2 . 1冲击强度方差分析 对表 4的数据进行方差分析，得到冲击强度方差分析表 ( 表 5 )( 因2 阶及 3 阶互作测试不显 著， 故 将其列 入误差 项) . 取 显著性 水 平。 = 5 % ， 通过查 表得到F o . o 5 ( 2 , 2 0 ) = 3 . 4 9 ， 比 较 知F X i = 1 2 .6 4 3 .4 9 , F X 2 = 2 . 8 6 3 .4 9 ; 取显著性水平a = 1 % ， 通过查表F o . o , ( 2 , 2 0 ) = 5 . 8 5 , F X t = 1 2 . 6 4 5 . 8 5 , F X 2 = 2 . 8 6 5 . 8 5 , F X 3 = 3 . 9 6 6 .9 9 , F X 2 = 2 . 8 6 3 .4 9 , F X 3 = 7 .3 3 .4 9 : 取显著性 水平a = 1 % ， 通过查 表得到 F o .o i ( 2 , 2 0 ) = 5 . 8 5 , 比 较知 F X l = 7 5 5 .8 5 , F X 2 = 4 .9 5 .8 5 ; 取显著性水平a = 0 . 5 % ， 通过查表得到 F u . o o s ( 2 , 2 0 ) = 6 . 9 9 ，比 较知F X , = 7 5 6 .9 9 , F X 2 = 4 .9 6 .9 9 。 故可以 得出 结论: 稻壳添 加量和硅烷添加量对复合材料的弯曲强度有显著性影响，而玻璃纤维添加量对复合材料的弯曲强度 有明显的影响，但影响低于稻壳和硅烷二 表6弯曲 强度方差分析表 来源离差平方和 Q x , = 2 4 9 Q x 2 = 1 6 Q x 3 = 2 4 吸 = 3 3 Q , = 3 2 2 自由度 均方离差F值 F x , = 7 5 * * * F x 2 = 4 . 9 * F x 3 = 7 . 3 * * * 、J 4.沽 耘.，.6 100.且 n6 ， X : 稻壳添加量 X 2 玻璃纤维添加量 X , 硅烷添加量 误差 总合 注: * * * ; 0 . 5 % 显著性水平: * * , 1 % 显著性水平: 3 . 2 . 3抗拉强度方差分析 对表4 的数据进行方差分析 * :5 % 显著性水平 ， 得到抗拉强度方差分析表( 表7 ) ( 因2 阶及3 阶互作测试不显著， 故将其列入误差项) 。 取显著性水平a = 5 % , 通过查表得到 F o 。( 2 , 2 0 ) = 3 . 4 9 ，比 较知 F X I = 8 1 .9 3 .4 9 , F x2 = 1 .3 3 .4 9 , F x3 = 1 .9 5 . 8 5 , F x2 = 1 .3 5 .8 5 , F x3 = 1 .9 6 .9 9 , F x2 = 1 .3 6 .9 9 , F y3 = 1 .9 6 .9 9 。 故可以 得出 结论: 稻壳添加量 对复合材料的 抗拉强度有 显著性影响， 而玻璃纤维添加量及硅烷添加量对复 合材料的抗拉强度没有 显著性影响。 表7杭拉强度方差分析表 来源离差平方和自由度 均方离差F 值 X , 稻壳添加量 儿玻璃纤维添加量 X 7 硅烷添加量 误差 总合 6 5 .51 F X , = 8 1 . 9 * * * F x z 月. 1 . 5 0 . 8 F x3= 1 . 06 22，1，凡 Qxlim明补价 注:* * . :0 . 5 % 显著性水平;* * :1 % 显著性水平;* :5 % 显著性水平 3 . 2 . 4断裂伸长率方差分析 对表4 的 数据进行方差分析， 得到断 裂伸长率方差分析表 ( 表8 ) ( 因2 阶 及3 阶互作测试不显 著， 故将其列入误差项) 。 取显著性水平a = 5 % ， 通过查表得到F o . o s ( 2 , 2 0 ) = 3 . 4 9 ， 比 较知F X i = 5 .4 8 F x3 = 1 .3 3 .4 9 ; 取显著性水平a = 1 % ， 通过查表得到 F o . o i ( 2 , 2 0 ) = 5 . 8 5 , F X 2 = 2 .6 5 .8 5 , F x3 = 1 .3 3 .4 9 , F x2= 2 . 6 5 ( 2 , 2 0 ) = 6 . 9 9 ， 比 较知F x t= 5 4 .8 , 6 .9 9 , F x z = 2 .6 6 .9 9 , F x 3 = 1 .3 6 .9 9 ， 故可以 得出结 论: 稻壳添 加量对复合材料的断裂伸长率有显著性影响，而玻璃纤维添加量及硅烷添加量对复合材料的断裂伸 长率没有显著性影响。 表4 - 7 断裂伸长率方差分析表 来源自由度 X , 稻壳添加量 X 2 玻璃纤维添加量 X 3 硅烷添加量 误差 总合 离差平方和 Q x , = 1 2 6 Q x 2 = 6 Q x 3 = 3 仇 = 2 3 均方离差F 值 F x l = 5 4 . 8 * * * F x 3 = 1 . 6 . 3 企J 3乃.l 6丹J.1口.皿 ”尸6 ，山内乙，气 . Q T = 1 5 8 注: * * * :0 . 5 % 显著性水平: * * : 1 % 显著性水平; * :5 % 显著性水平。 4结论 通过方差分析可以得出:稻壳添加量对复合材料的力学性能有显著性影响，玻璃纤维添加量只 对复合材料的弯曲 强度有显著性影响，硅烷添加量对复合材料的冲击和弯曲 有显著性影响。 参考文献 1 张声 俭. 稻壳的 开发利用 J .粮食与 饲料工 业，1 9 9 9 , ( 1 ) : 2 0 - 2 2 2 周 德凤， 郝婕，巴 晓微， 任 清.稻壳 的开 发 利 用 J . 长 春工业大学学 报 ( 自 然科学 版) ， 2 0 0 4 , 2 5 ( 1 ) : 5 9 - 6 2 3 苑志伟， 张国 立， 陈 志达等 . 新型化 工环 保材 料制品 一木塑 托盘的 技术分 析及 市场前景 J . 化工新型材料， 2 0 0 0 , 2 8 ( 8 ) : 2 7 - 3 1 . 4 王 宏 棣 一种新 型 人 造板 材 一高 填 料 木 塑 板 J .林 业 科 技 通 讯， 2 0 0 0 , 9 : 3 8 5 丁建生， 唐伟家， 吴汾. 塑 木复 合材料 及其制备 加工 J .现代塑 料加工应 用， 2 0 0 2 , 1 5 ( 1 ) : 1 6 - 1 8 6 Ma l d a s D , K o k t a B V R o l e o f c o u p l i n g a g e n t s a n d t r e a t m e a t s o n t h e p e r f o r m a n c e o f w o o d f i b e r - t h e r m o p l a s t i c c o m p o s i t e s . F o r e s t P r o d u c t s J o u rn a l , 1 9 9 9 , 5 3( 1 ) 1 1 2 - 1 2 0 7 I c h a z o M N , A l b a n o C， G o n a z a le z J , e t a l . P o ly p r o p y l e n e / w o o d fl o u r c o m p o s it e s : t r e a t m e n t s a n d p r o p e rt ie s 团. C o m p o s it e S t r u c t u r e s , 2 0 0 1 , 5 4 ( 2 ):2 0 7 - 2 1 4 . 8 I c h a z o M N , A l b a n o C， G o n a z a le z J , e t a l . P o ly p r o p y l e n e / w o o d fl o u r c o m p o s it e s : t r e a t m e n t s a n d p r o p e rt ie s 田. C o m p o s i t e S t r u c t u r e s , 2 0 0 1 , 5 4 ( 2 ):2 0 7 - 2 1 4 . 9 C r a ig C l e m o n s . 美国木塑复合 材料的历史、 现状及展 望 J . 朱家 琪人造板通讯，2 0 0 2 , ( 1 1 ) : 1 9 - 2 1 . 1 0 薛 平， 张明 珠， 何 亚 东 等 . 木 塑 复 合 材 料 挤出 成型 特 性的 研究 J . 中 国 塑 料， 2 0 0 1 , 1 5 ( 8 ) : 5 3 - 5 9 【 川冯 孝中 . 塑 料 包 装 材 料的 循 环 再 生 木 塑 材 料 加工 技 术 J .包 装 工 程， 1 9 9 7 , 1 8 ( 5 ) : 1 5 -1 8 1 2 张明 珠.木质纤 维填充热塑 性塑 料复 合 材料与 挤出 成型的 研究D . 北 京: 北京 化工 大学 2 0 0 1 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f r i c e h u l l fl o u r / p o ly e t h y l e n e c o m p o s i t e s C A I H o n g 一 z h e n ， B A I X u e 一 y ua几Y I W i U Al ho n g 一 劝e n ， 廿 AI 入u e 一 y 以几 Y I We l - mmg ,o n g - e n ,u e - y u a n ,e ( S c h o o l o f L i g h t I n d u s t ry a n d A g r i c u l t u r a l E n g i n e e r i n