（材料学专业论文）玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的结构和性能研究.pdf

玻璃纤维增强聚丙烯y 术粉发泡复合材料的结构与性能研究中文摘要 玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的 结构和性能研究 中文摘要 热塑性木塑复合材料是一种近年来受到广泛关注，并且发展迅速的经济、环保的 新材料。本文研究了注塑发泡的技术，并制备了聚丙烯木粉发泡复合材料和玻璃纤 维聚丙烯木粉发泡复合材料。研究其加工工艺、相容剂、成核剂、引发剂过氧化二 异丙苯( d c p ) 交联剂二乙烯基苯( d v b ) 、发泡剂和硅烷偶联剂对木粉的表面处理、 木粉含量和玻璃纤维含量等对材料的发泡效果、力学性能和聚丙烯结晶等方面的影 响。并得到了如下主要结论： i 注塑得到的p p 木粉发泡复合材料和g f p p ! 木粉发泡复合材料均呈现三层式 夹层结构：中间层分布着泡孔，以及两个结实无泡孔的外层。在发泡区域和外层之间， 分布着一个过渡区。同时，在过渡区内，泡孔沿着熔体流动的方向会产生变形。这种 泡孔的变形，随注塑速度的提高而增大； 2 随着注塑流量的增大，p p ! 木粉发泡复合材料的密度变小，发泡倍率提高，材 料的力学性能下降。但发泡材料的综合性能提高了： 3 不同的注塑流量对p p 的结晶形态没有影响，都得到q 晶型和b 晶型聚丙烯， 但注塑流量的增大会使得p p 的结晶度略有提高； 4 加入相容剂m a h p p 后，由于木纤维和p p 基体的界面结合得到了提高，降 低了p p i 木粉发泡复合材料的密度，大幅提高了材料的发泡倍率：同时，p p i 木粉发泡 复合材料的拉伸、弯曲和冲击强度降低了，但拉伸和弯曲模量增大了，并且材料的拉 伸和弯曲比强度提高了； 5 随发泡剂用量的增大，p p 木粉发泡复合材料的发泡效果逐步提高。且当发泡 剂用量达到0 6 以后，再增加发泡剂用量对材料发泡效果的提高有限。同时，p p 木粉发泡复合材料的力学性能随发泡剂用量的增大而变差，且当发泡剂用量为o 6 玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的结构与性能研究 中文摘要 时，p p 木粉发泡复合材料的综合性能最佳； 6 与未添加成核剂滑石粉的试样相比较，添加了滑石粉的p p 木粉发泡复合材料 的密度有明显的降低。当滑石粉的用量为3 时，材料的发泡效果最佳；此后，再增 大滑石粉用量，材料的密度增大，发泡倍率减小。同时，添加了成核剂后，材料的力 学性能明显下降。当滑石粉含量达到3 以后，随滑石粉用量的增大，材料的拉伸和 弯曲性能随之降低，而冲击性能随之增大而上升。 7 滑石粉的加入未引起p p 晶相的明显转变。随滑石粉用量的增加，p p 木粉发 泡复合材料中p p 的结晶度随之上升。 8 p p 交联有利于p p 木粉发泡复合材料获得较低的密度和较高的发泡倍率。且当 d v b 含量达到1 2 时，可以获得最佳的发泡效果，与未加交联剂的复合材料相比， 密度下降了4 ，发泡倍率上升了2 8 。并且从总体上来看，随着交联剂的加入及含 量的提高，力学性能随之提高了，这是因为交联p p 形成了网络的缘故。 9 随d v b 含量的增加，p p 木粉发泡复合材料中p p 的结晶度随之下降，说明 d v b 不利于p p 的交联。 l o 由于p p 和木粉的密度不同，引起了p p 木粉发泡复合材料的密度随木粉含量 的增加而增大，且材料的发泡倍率在木粉含量为3 0 时达到最大。至于材料的力学 性能方面，提高木粉含量有利于提高材料的拉伸和弯曲性能，而不利于材料的冲击性 能。当木粉含量为3 0 时，材料的综合性能最佳。 1 1 由于木粉在p p 的结晶过程中充当了成核剂，所以木粉的加入使得p p 结晶状 态发生了q 晶型到吕晶型的转变，并且随木粉含量的增大，p p 的结晶度也随之增大。 1 2 适量的相容剂m a h p p 、成核剂滑石粉、交联剂d c p d v b 和木粉表面的硅 烷偶联剂处理都能改善g f p p 木粉发泡复合材料的发泡效果，得到更低的密度和更 高的发泡倍率。除添加成核剂滑石粉之外，上述其他各项都能提高材料的力学性能。 13 g f p p 木粉发泡复合材料的发泡倍率低于p p 木粉发泡复合材料；随着g f 含 量的增加，g f ，p p 木粉发泡复合材料的密度随之增大，但当g f 含量由5 增加到1 5 的过程中，材料的发泡倍率随着g f 含量的增大而增大。由于木粉和p p 密度的不同 使得材料的密度随木粉含量的增加而增大；同时，材料的发泡倍率随木粉含量的增大 而增大。 i i 玻璃纤维增强聚丙烯术粉发泡复台材科的结构与性能研究中文摘要 1 4 随g f 含量的增加，材料的拉伸、弯曲和冲击性能都随之提高：同时，拉伸 和弯曲性能随木粉含量的增加而提高，但冲击性能却随木粉含量的增大而降低。 1 5 g f 的添加不会使p p 结晶的晶型产生变化，但有助于p p 结晶度的提高。 1 6 对于相同质量的试样，提高注塑流量、添加m a h p p 和g f 、增大发泡剂用 量、p p 交联都能使材料的刚度提高。 关键词：聚丙烯木粉发泡复合材料力学性能结晶 i l l 作者：杨晓雄 指导老师：闻荻江 p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r er e s e a r c ho ng l a s sf i b e r r e i n f o r c ep o l y p r o p y l e n e w o o df i b e rc o m p o s i t e s a b s t r a c t t h ef o a m e dw o o d t h e r m o - p l a s t i cc o m p o s i t ei s an e wk i n do fe c o n o m i c a la n d e n v i r o n m e n t a lm a t e r i a l ，w h i c h d e v e l o p sq u i c k l y ，a n dh a sb e e nr e c e i v e de x t e n s i v e a t t e n t i o n s i nt h i s p a p e r ，m i c r o f o a m e dp o l y p r o p y l e n e w o o df l o u re o m p o s i t sa n d m i c r o f o a m e dg l a s sf i b e r ( g f ) p o l y p r o p y l e n e w o o df l o u r c o m p o s i t e sw e r ep r e p a r e d t h r o u g hi n j e c t i o nm o u l d i n gp r o c e s s m e a n w h i l e ，t h ep r e s e n tp a p e rr e s e a r c h e d t h e i n f l u e n c e so fam a l e t i ca n h y d r i d e p o l y p m p y l e n ec o p o l y m e r ( m a h p p ) ，t h en u c l e a t i o n a g e n t - - t a l c ，t h ec m s s l i n k i n ga g e n t s - - - d i c u m y lp e r o x i d e ( d c p o ) d i v i n y l b e n z e n e ( d v s ) ， t h ef o a ma g e n ta n dt h ew o o df l o u rs u r f a c et r e a t m e n tw i t hac o u p l i n ga g e n to ft h es i l a n eo n t h ef o a m i n gd e g r e e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d p o l y p r o p y l e n e sc r y s t a l t h e m a i n c o n c l u s i o n sl i s tb e l o w ： 1 m i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e sa n dm i e r o f o a m e dg f p p w o o df l o u r c o m p o s i t e sh a v eat h r e e l a y e rs t r u c t u r e ，c o n t a i n e dam i d d l el a y e rw i t hd i s t r i b u t e dc e l l s a n dt w oc o m p a c to u t e rl a y e r i nb e t w e e nt h ef o a m i n ga r e aa n dt h es u r f a c el a y e r ，t h e r e d e v e l o p e dat r a n s i t i o nz o n ea l o n gt h ed i r e c t i o no ft h em e l tf l o w t h i sc e l l s t r a n s t i o n b e c o m em o r en o t a b l ew i t ht h ei n c r e a s eo f m e l tf r o n tf l o ws p e e d 2 w i t ht h ei n c r e a s eo fm e l tf r o n tf l o ws p e e d ，m i e r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e s d e n s i t i e sb e c o m el o w e r , t h e i rv o i df r a c t i o n se n h a n c e ，a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s d e c r e a s e b u tt h es y n t h e t i c a lp r o p e r t yo f f o a m e dc o m p o s i t e si m p r o v e s 3 t h ed i f f e r e n tm e l tf r o n tf l o ws p e e d sh a v en oe f f e c to np p sc r y s t a l l i z a t i o nf o r m u n d e r d i f f e r e n tm e l tf r o n tf l o ws p e e d s ，p p sc r y s t a l l i z a t i o na l w a y sh a v ed - f o r ma n db f o r m b u tt h ec r y s t a l l i n i t yo f p pi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f m e l tf r o n tf l o ws p e e d 4 w i t ht h ea d d i t i o no fm a i i p p ，b e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to ft h ea d h e s i o nb e t w e e n w o o df i b e ra n dp pm a r x ，t h ed e n s i t yo fm i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e d e c r e a s e s ，a n d t h ev o i df r a c t i o ni n e a s e s s i g n i f i c a n t l y m e a n w h i l e ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sd e c r e a s e ，b u tm o d u l u se n h a n c e s ，a n dt h et e n s i l es t r e n g t h - d e n s i t yr a t i oa n d t h ef l e x u r a ls t r e n g t h d e n s i t yr a t i oi m p r o v e i，ipi p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r er e s e a r c ho ng l a s sf i b e rr e i n f o r c ep o l y p r o p y l e n e w o o df i b e rc o m p o s i t e sa b s t r a c t 5 n l ei n c r e a s eo fc h e m i c a lf o a m i n ga g e n t ( c f a ) r e s u l t si nt h ei m p r o v eo ff o a m i n g d e g r e eo fm i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e s w h e nt h ec f ac o n t e n ti sm o r e t h a no 6 ，t h ef o a m i n gd e g r e ei m p r o v e sl i m i t e d l yw i t ht h ei n c r e a s eo fc f ac o n t e n t 1 1 1 em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fc f ac o n t e n t a n dw h e nt h ec f ac o n t e n tr e a c h e so 6 t h es y n t h e t i c a lp r o p e r t yi st h eb e s t 6 t h ed e n s i t i e so fm i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e sw i t ht a l cd e c r e a s ee v i d e n t l y c o m p a r e dt ot h eo n ew i t h o u tt a l c w h e nt l l et a l cc o n t e n ti s3 t h eb e s tf o a m i n gd e g r e e c a nb eg o t t e n i ft h et a l cc o n t e n ti n c r e a s e sf u r t h e r , t h ed e n s i t yw i l li n c r e a s e ，a n dt h e v o i df r a c t i o nw i l ld e c r e a s e m e a n w h i l e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e sw i t ht h e t a l cd e c r e a s en o t a b l e l y w 1 l e l lt h et a l cc o n t e n ti sm o r et h a n3 w i t ht h ei n c r e a s eo ft a l c c o n t e n t ，t h et e n s i l ea n df l e x u r a lp r o p e r t i e sd e c r e a s e ，b u ti m p a c ts t r e n g t hi m p r o v e s 7 t h ea d d i t i o no ft a l cd o e sn o ti n d u c et h et r a n s i t i o no fp p sc r y s t a l l i z a t i o nf o r m b u tt h e i n c r e a s eo f t a l cc o n t e n tr e s u l t si ni n c r e a s eo f t h ec r y s t a l l i n i t yo f p p 8 1 1 1 ec r o s s l i n k i n go fp pr e s u l t si nt h el o w e rd e n s i t ya n dh i g h e rv o i df r a c t i o no f m i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e 1 1 1 eb e s tf o a m i n gd e g r e ec a l lb eg o t t e n w h e n t h ed v bc o n t e n ti s1 2 a tt h i st i m e ，t h ed e n s i t yd e c r e a s e s4 ，a n dt h ev o i df r a c t i o n i n c r e a s e s2 8 ，c o m p a r e dt oo n e so fc o m p o s i t e sw i t h o u tc r o s s l i n k i n ga g e n t s a sa w h o l e ，w i t ht h ea d d i t i o na n dt h ei n c r e a s eo fc r o s s l i n k i n ga g e n t s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s e n h a n c e ，b e c a u s et h ec r o s s l i n k i n gp pf o r m st h en e ts t r u c t u r e 9 w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed v bc o n t e n t ，t h ec r y s t a l l i n i t yo fp pd e c r e a s e s t h i si l l u s t r a t e s t h a td v br e s t r a i n st h ep p sc r y s t a l l i z a t i o n 10 b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo fd e n s i t i e sb e t w e e np pa n dw o o df l o u r , d e n s i t i e so f m i c r o f o a m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fw o o df l o u r c o n t e n t ，a n dt h ev o i df r a c t i o ni sb i g g e s tw h e nt h ew o o df l o u rc o n t e n ti s3 0 a sf o rt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h ei n c r e a s eo fw o o df l o u rc o n t e n ti n d u c e st h ei m p r o v eo f t e n s i l ea n df l e x u r a lp r o p e r t i e s ，a n dt h ed e c e a s eo fi m p a c ts t r e n g t h w h e nt h ew o o d f l o u rc o n t e n ti s3 0 ，t h es y n t h e t i c a lp r o p e r t yi st h eb e s t 1 1 b e c a u s et h ew o o df l o u ra c t sa st h en u c l e a t i o na g e n ti nt h ep r o c e s so fp p s c r y s t a l l i z a t i o n ，t h ea d d i t i o no fw o o df l o u rr e s u l t si nt h et r a n s i t i o nf r o ma f o r mt o b f o r m t h ec r y s t a l l i n i t yo f p pi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ew o o df l o u rc o n t e n t 12 t h es u i t a b l ec o n t e n t so fm a h p p ，t a l c ，d c p d v b ，a n dt h es u r f a c et r e a t m e n to fw o o d f l o u rw i t hs i l a n ec a r li m p r o v et h em i c r o f o m e dg f p p w o o df l o u rc o m p o s i t e s f o a m i n g d e g r e e ，a n dg e tt h el o w e rd e n s i t ya n dt h eh i g e rv o i df r a c t i o n b e s i d et h ea d d i t i o no f t a l c ， v p e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r er e s e a r c ho ng l a s sf i b e rr e i n f o r c ep o l y p r o p y l e n e w o o df i b e rc o m p o s i t e sa b s t r a c t o t h e ra d d i t i v e sa l lc a ne n h a n c em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o m p o s i t e s 1 3 1 1 1 ev o i df r a c t i o n so f m i c r o f o m e dg f p p w o o df l o u rc o m p o s i t e si sl o w e rt h a no n e so f m i e r o f o m e dp p w o o df l o u rc o m p o s i t e s ；t h ed e n s i t i e so fm i c r o f o m e dg f p p w o o d f l o u rc o m p o s i t e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h eg f c o n t e n t ，b u ti nt h ep r o c e s so ft h e i n c r e a s eo f g fc o n t e n tf r o m5 t o1 5 t h ev o i df r a c t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f g fc o n t e n t b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eo f d e n s i t i e sb e t w e e nw o o df l o u ra n dp p ，w i t ht h e i n c r e a s eo fw o o df l o u rc o n t e n t ，t h ed e n s i t yo fc o m p o s i t ei n c r e a s e , a n dt h ev o i df r a c t i o n i n e r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f w o o df l o u rc o n t e n t 1 4 w i mt h ei n c r e a s eo fg fc o n t e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e si m p r o v e m e a n w h i l e w i t ht h e i n c r e a s eo fw o o df l o u rc o n t e n t ，t e n s i l ea n df l e x u r a lp r o p e r t i e se n h a n c e ，b u ti m p a c t s t r e n g t hd e c r e a s e s 15 t h ea d d i t i o no fg fd o e sn o ti n d u c et h et r a n s i t i o no fp p sc r y s t a l l i z a t i o nf o r m b u t r e s u l t si nt h ei n c r e a s eo ft h ec r y s t a l l i n i t yo fp p 1 6 w h e nt h em a s si si n v 撕a b l e ，t h ee n h a n c eo fm e l tf r o n tf l o ws p e e d t h ea d d i t i o no f m a h p pa n dg f ，t h ei n c r e a s eo f c f ac o n t e n t ，a n dc r o s s l i n k i n go fp pc a ni n c r e a s et h e r i g i d i t y k e yw o o d ：p o l y p r o p y l e n e ，w o o df l o u r ，f o a m ，c o m p o s i t e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y c r y s t a l l i z a t i o n v w r i t t e nb yy a n gx i a o x i o n g s u p e r v i s e db yw e nd i j i a n g 。y 1 9 5 6 9 0 2 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：圣丕芝鎏垄亚妇 导师签名：窝p 日 期：塑堕：之二2 期。：州：，矿 玻璃纤维增强聚丙烯术粉发泡复合材料的结构与陛能研究 第一章 第一章绪论 l 木塑发泡复合材料简介 木塑复合材料( w o o da n dp l a s t i cc o m p o s i t e s ，简称w p c ) 是一种通过熔融加工方 法而制各得到的木纤维和聚合物的复合物，它同时拥有木材和塑料的优点。在热塑性 聚合物的复合材料中，众所周知木纤维是一种丰富、价廉、高比强度、低密度、可再 生及可生物降解的填料。木材具有较高的强度和韧性，尤其是在沿纤维排布地方向上； 在比强度方面，它优于许多现有的用于载荷的复合材料。随着当今世界对木制品的需 求量的增大，迫切需要寻找一种木材的替代品。w p c 便是一种引人注目的选择。这 是因为w p c 的制造高度的自动化，并且适合各种原材料：木纤维拥有量丰富、质量 轻和强度大；木纤维可以由大量的天然资源制得，也可以从含已使用过的含有纤维质 的产品中回收再生制得；与其他的聚合物复合材料相比，w p c 成本最为低廉：w p c 的最终成品的性能可以通过优化生产条件来调节：在w p c 中，木纤维基体及其性能 的变化比在天然木材中小得多：w p c 对抗环境腐蚀的性能也优于木材川。正因为此， 在热塑性树脂的复合材料中使用木纤维已经进行了大量而深入的研究【2 。9 】。 最近的研究和发展显示w p c 材料是一种发展非常迅速的工业产品。比如在加勒 比海地区，计划用w p c 材料建造5 0 0 0 0 所房屋 1 0 1 ，这些房屋能够非常好的抵挡飓风。 这些w p c 材料在很多年前就已经进入市场，但近几年才被广泛的采用。虽然这些 w p c 材料已经商业化，但是它们在很多工业领域的应用潜力是很有限的，这是因为 该材料存在着密度大、比强度差等缺点。如果可以弥补这种材料的这些缺点，那么这 些材料的应用范围将会扩展。最近，在w p c 材料中产生微泡体结构的概念获得了成 功，并能够克服它的缺点 1 1 - 1 6 】。由于气泡的存在，w p c 材料的密度大大降低了，并 且延展性和抗冲击性方面得到了显著的提高【6 1 。同时，由于气泡的存在，使得材料裂 缝的前端被钝化，而抑制了裂缝的扩展，并且裂缝的扩展会需要更多的能量 1 “。因为 这些独特的性能，微发泡塑料可以应用在许多工业领域，包括在汽车和航天工业中用 作质轻、高强度的部件，制作容器、运动器材、绝热体和绝缘体。 玻璃纤维增强聚丙烯术粉发泡复合材料的结构与性能研究第一章 1 1 发泡成型原理 聚合物发泡成型是通过气体在聚合物中产生过饱和从而导致成核过程的发生，根 据成核方式的不同可以分为均相成核、非均相成核。成核速率与气体的浓度和气体的 扩散速度成正比，当饱和压力差增大时，成核速率显著加快，而温度的影响相对与压 力l 匕贝, t j 较小。在聚合物发泡成型过程中，释压需要一定的时间，由于所有气泡核同时 形成的这一理想情况不可能发生，因此在成核的过程中会有先有后，而必然存在着成 核和生长的竞争。解释成核和生长的竞争理论认为1 7 】：在原生核的耗散区域内不能形 成次生核，原生核的耗散区域之间可以接触和重叠。耗散区域的大小和气体的扩散速 度、释压时间等有关。当释压的时间很快，泡核的密度很大，泡核的间距很小，相邻 的耗散区域接触或重叠，那么体系中就不会有次生核的形成，原生核因得不到更多的 气体而不会过度的生长，因此得到的泡孔结构较为致密。反之，当释压的时间很长， 单位时间内的泡核很少，泡核间距很大，耗散区域之间来不及向附近的原生核扩散， 从而形成新的次生核。原生核和次生核由于生长的历史不同，其最终的尺寸也就不同。 且原生核经历的时间长，泡孔大，消耗了大量的气体，并且泡孔的密度随之下降。 气泡长大的过程涉及到长大的阻力和动力问题，有两种较为成功的模型对其做定 量研究海岛模型和细胞模型两种。其中海岛模型由z a r e b m b a d e w i t t 等提出【1 8 - t 9 1 ， 其核心思想是用单个的气泡在无限熔体中的长大行为来描述整个体系气泡的长大规 律，该模型考虑了粘弹性和界面张力的作用，因而能够在一定的程度上反映体系内部 气泡的长大过程；细胞模型由a m o n 等提出【2 0 1 ，该模型认为大量的气泡的存在使每个 气泡只能拥有一定的厚度和质量的熔膜，每个气泡拥有的熔膜质量在气泡的长大过程 中保持恒定，气泡只和各自的熔膜进行质量、动量及能量的传递。一般认为，该模型 和实际情况更加接近。 1 2 木塑发泡复合材料的主要原料 由于木纤维在较高温度下易焦化，所以通常使用能在2 0 0 c 左右熔融加工的热塑 性树脂为基体。目前主要有聚乙烯( p e ) 、聚丙烯( p p ) 、聚氯乙稀( p v c ) 、聚苯乙烯( p s ) 、。 a b s 、a s a 和s a n 等f 2 1 1 。 木纤维可以是废木粉、刨花、锯木，还有其他天然植物纤维，例如，粉碎处理过 的稻壳、稻杆、花生壳、椰子壳、甘蔗、亚麻、大麻、泽麻和黄麻等。通常用于制备 玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的结构与性能研究 第一章 木粉或木纤维的木材来自于松木、枫木、橡木等。这些木纤维或木粉可以从天然资源 中获得，也可以从废弃的木制品中回收再生获得。 生产木塑发泡复合材料可以使用物理发泡剂和化学发泡剂( c h e m i c a lf o a m i n g a g e n t s 简称c f a ) 。物理发泡剂通过物理状态的变化而产生气体，通常有氮气、二氧 化碳和湿气。c - t a 被采用是由于其在较紧凑的注塑成型过程中变化很小。c t a 是一 些在一定制备温度下能分解而释放出诸如二氧化碳或氮气的物质。与物理发泡剂相 比，c f a 在复合材料的发泡过程中使用更容易，也更方便地通过普通地加工设备来 制备，并且生产成本较低【2 2 - 2 4 。 在挤出发泡中使用的物理发泡剂包括氮气、二氧化碳和诸如脂肪族碳氢化合物的 液体【2 4 】。这些物理发泡剂都有一些缺点。脂肪族碳氢化合物高度易燃2 4 1 ，在使用 过程中存在危险性。因为木纤维中含有的水分会蒸发，并在1 0 0 c 以上时成为气体， 所以它被认为可以在w p c 的发泡过程中充当发泡剂0 2 - 1 3 】。虽然使用木纤维中含有的水 分充当发泡剂已有一些乐观的实验结果，但在工业生产中还没有任何的尝试。 c f a 的种类很多，它们之间的区别主要是产生的气体种类不同，以及产生这些 气体的反应方式不同。根据产生气体的反应类型，c f a 可以分为两大类：吸热型和 放热型。在化学反应中，吸热型化学发泡剂吸收热量，而放热型则释放热量 2 2 - 2 3 】。由 于吸热型和放热型c f a 热分解行为的不同，这两类c t a 对塑料基体在发泡过程中的 粘弹性有不同方式的影响【2 3 1 。因此，c f a 的种类对未填充的塑料泡沫的泡孔形态有 很大的影响。吸热会使基体冷却，并使泡孔结构定型；而放热会释放大量无法控制的 热量，降低熔体粘度，从而导致泡孔合并，产生较大的泡7 l 尺寸 2 3 】。因此，吸热型 c f a 通常产生具有良好泡孔结构的发泡塑料，而用放热型c f a 生产的发泡塑料则往 往泡孔结构差，泡孔尺寸大。随着木纤维加入到塑料基体中，由于木纤维提高了复合 物的粘度，c f a 的类型对复合物泡孔形态的影响发生了变化 1 5 ” 。 1 3 木塑发泡复合材料的加工 发泡聚合物的制备通常包括气泡在聚合物中的生成和随后的气泡的生长和聚合 物硬化。气泡的形成通常有以下三种方法【i 】：( 1 ) 气泡由化学反应产生的气体副产品 所形成。这种反应发生在聚合物组分之间，例如聚亚胺酯泡沫生产中的异氰酸酯与水 的反应，或者是添加剂的分解；( 2 ) 低沸点液体在聚合物中的扩散：( 3 ) 通过降低加 玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的结构与性能研究 第一章 在浸透在气体中的聚合物上的压力而产生热力学的不稳定和扩散。 木塑发泡复合材料的制备方面有着几种不同的方法。一种是分步发泡法【“，”，2 卯。 该方法通常包括三个步骤：试样在气体中的浸透，气泡成核和气泡的生长。虽然气泡 的成核和气泡的生长只需几分钟，但是试样在气体中的浸透却通常需要几小时或几 天。因此，由于生产成本过高和耗费时间的因素这种方法在工业生产中并不适用。 考虑到以上的这些缺点，产生了另外一种生产方法，就是通过连续挤出的方法来制备 木塑发泡复合材料陋1 3 ，2 8 1 。r i z v i 等人利用木纤维中含有的水分为发泡剂，通过挤出 的方法成功的制得t m s 木纤维发泡复合材料 1 ”。m e n g e l o g l u 和m a t u a n a 也通过连续挤 出的方法制各了硬质p v c 木纤维发泡复合材料，并研究了c f a 的种类和用量对发泡材 料密度和泡孔形态的影响【i3 1 。姚祝平也通过挤出的方法制得了微发泡硬质p v c 木粉 体系型材，并论述了加工工艺对发泡效果的影响。还有一种生产方法是通过注塑的方 法来制备木塑微发泡材料。该方法是先通过挤出的方法制得未发泡的w p c 粒子，再 将制得的粒子与c f a 混合均匀后，通过注塑成型的方法生产出所需的木塑发泡复合材 料。最近，b l e d z k i 等人就通过该方法制得了p p 亚麻发泡复合材料和p p 木纤维发泡复 合材料2 9 1 。 1 4 偶联剂和相容剂对木塑发泡复合材料的作用 在木塑发泡复合材料的制各过程中，除了c f a ，偶联剂和相容剂也是非常重要 的组分。它们同样也会影响木塑发泡复合材料的发泡倍率和泡7 l 形态，如平均泡孔尺 寸和泡孔分布等。b l e d z k i 】和m a t u a n a 1 4 1 等人经研究都发现添加偶联剂和相容剂可以 使得气体更多的包裹在材料熔体内用于气泡的生长，从而使得木塑发泡复合材料具有 更高的发泡倍率。因此，研究偶联剂和相容剂对木塑发泡复合材料的发泡倍率和泡孔 形态的影响显得十分地重要。 1 5 木塑发泡复合材料的力学性能 如同众多的研究致力于如何使木塑发泡复合材料拥有高的发泡倍率和良好的泡 孔形态一样，对木塑发泡复合材料的力学性能的研究也相当重要。邱桂学等的研究发 现( 3 0 】，随着木粉含量的增加，尼龙一6 短纤维木纤维h d p e 混杂结构泡沫复合材料 的拉伸强度和密度略有增加，冲击强度随之下降，而弯曲强度增加的幅度较大，说明 木粉的加入对改善材料的刚性效果明显，但表明冲击性能较差的木粉会影响材料的冲 玻璃纤维增强聚丙烯木粉发泡复合材料的结构与性能研究 第一章 击性能，同时表明含有较多羟基的木纤维可能与基体的界面粘结效果还不很理想。 b l e d z k i 等发现，随着孔隙度的增加，p p 木纤维发泡复合材料的弯曲强度和拉伸强 度都下降了：用5 m a h p p 处理的试样的性能比未用处理的提高了5 0 。苑会林等 在对木粉填充聚氯乙烯发泡体系的力学性能的研究中发现【3 “，在木粉添加量不超过 3 0 时，随着木粉用量的增加，复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度均呈上 升趋势。m e n g e l o g l u 和m a t u a n a 也对p v c 木纤维发泡复合材料的力学性能进行了研 究 1 5 , 2 6 ，得到了一系列的结果：( 1 ) 发泡使材料的拉伸强度减小，拉伸强度随孔隙度 的增加而减小，而发泡使断裂伸长增加；( 2 ) 发泡对材料的拉伸模量不利，经表面处 理的p v c y k 纤维发泡复合材料拉伸模量随孔隙度的增加而减小，而未经表面处理的 p v c 木纤维发泡复合材料拉伸模量则因木纤维在p v c 中的分布不均和较差的发泡结 构而显得很不一致；( 3 ) 发泡使材料的断裂伸长增大，并随着孔隙度的增大而增大， 对于相同的孔隙度，p v c 木纤维发泡复合材料比p v c 发泡材料的断裂伸长小；( 4 ) 微发泡提高了材料的冲击强度，随着孔隙度的增大而增大，并且经表面处理的p v c 木纤维发泡复合材料的冲击强度更高；( 5 ) 由分步发泡法制得的材料与用化学发泡剂 通过挤出而制得的材料相比，泡孔更小，冲击强度更大。 芯材为发泡材料的夹层结构的板材的最大优点是轻而强度、刚度好。内、外面板 都是由相同材料所制得的板材的弯曲剐度，可由式( 1 ) 给出： d ：兰 蜓：! 呈：型里：型( 1 ) 1 2 x f 式中，e 为纵向弹性模量，b 为板材宽度，t 为板的厚度 九。= 1 一v ：，v 为泊松比 九f = 1 一v ；： 并设，0 【= e 。e f ，a = t 。t f ，在上述各符号中，脚注c 为芯材，f 为面板。若九f = 九。 则式( 1 ) 便为： d ：呈：! ：坠笪 8 k + 呈：生k 丛生( 2 ) 6 l r1 2 x f 通常在计算中，可采用式( 2