（材料加工工程专业论文）化学发泡麦秆粉hdpe复合材料注塑制品机械性能研究.pdf

摘要 摘要 作为近年来环保型复合材料的研究热点，木塑微孔发泡复合材料既具有一 般木塑复合材料的所有优点，又具有密度低、韧性好、隔音、隔热等优点，所 以被广泛应用于建筑、汽车内饰甚至军事等领域。为了降低塑料原材料成本， 保护我国森林资源，增加农业废弃物( 麦秸秆) 的利用率和附加值，提高木塑 复合材料制品的成型效率，结合区域经济的特点，本文研究了用高密度聚乙烯 和经过简单电磨加工的麦秆粉共混制成的麦秆粉h d p e 复合材料用于常规注射 成型的可能性。由于在常规注射成型中h d p e 的加工温度多高于2 0 0 ，而麦秆 粉分解的起始温度在1 7 0 。c 左右，所以用化学发泡法以提高麦秆粉h d p e 复合材 料的流动性、降低复合材料的成型加工温度。 本课题采用注塑成型的方法制备了发泡聚烯烃试样和麦秆粉h d p e 发泡复 合材料试样。首先研究了化学发泡剂偶氮二甲酰胺( a c ) 的含量及形态( 发泡 剂粉末或发泡母料) 对发泡聚烯烃( h d p e 、l d p e 、p p ) 试样密度、力学性能、 动态力学性能及泡孔形态的影响；其次研究了麦秆粉含量及目数、硅烷偶联剂 含量对麦秆粉h d p e 复合材料的加工流动性及热性能的影响；最后研究了a c 含量、麦秆粉含量及目数、硅烷偶联剂含量对注塑成型的麦秆粉h d p e 发泡复 合材料试样的密度、力学性能、动态力学性能及泡孔形态的影响。主要得出以 下结论： l 、就发泡聚烯烃而言，a c 的形态对发泡聚烯烃材料的密度、力学性能及 泡孔形态的影响很小；化学发泡对聚烯烃材料的力学性能并没有起到明显的改 善作用，化学发泡使聚烯烃材料的拉伸性能和冲击性能下降、弯曲性能提高且 当a c 含量为2 w t 时发泡聚烯烃试样的综合性能较好，发泡h d p e 和发泡l d p e 的储能模量与损耗模量比未发泡的低、而发泡p p 的储能模量与损耗模量比未发 泡的高；发泡聚烯烃试样的泡孔均匀性较差、发泡区域较窄且主要集中在试样 的中心部分，泡孔形态及未发泡部分的断面形貌随基体树脂的不同差异较大。 2 、就流动性和热性能而言，随麦秆粉及硅烷偶联剂含量的增加，麦秆粉 h d p e 复合材料的熔体流动速率( m f r ) 下降，但麦秆粉目数的增加( 麦秆粉 尺寸变小) 使麦秆粉h d p e 复合材料的m f r 增加；硅烷偶联剂含量及麦秆粉目 摘要 数对麦秆粉h d p e 复合材料的熔融温度( t m ) 和分解温度( t d ) 的影响很小。 3 、就密度而言，随麦秆粉含量的增加，麦秆粉h d p e 发泡复合材料的密度 增加且当麦秆粉含量为5 0 w t 时密度增加1 8 ；麦秆粉目数、硅烷偶联剂含量 和a c 含量对麦秆粉h d p e 发泡复合材料的密度影响很小。 4 、就力学性能而言，发泡改性使麦秆粉h d p e 复合材料的拉伸强度下降、 弯曲性能变化较小、冲击强度增加，并使其储能模量和损耗模量升高；随麦秆 粉含量的增加，麦秆粉h d p e 发泡复合材料拉伸与冲击性能下降、弯曲性能增 加，同时储能模量和损耗模量升高；硅烷偶联剂的处理使麦秆粉h d p e 发泡复 合材料的力学性能增加，且当含量为6 w t 时其综合力学性能最好，同时储能模 量和损耗模量较高；随麦秆粉目数的增加，麦秆粉h d p e 发泡复合材料的力学 性能先增加后降低，并且粒度为4 0 6 0 目时其综合力学性能较好、6 0 8 0 目时其 储能模量和损耗模量较高。 5 、就微观形貌而言，通过s e m 观察可知，硅烷的处理并不会使麦秆粉表 面产生变化；随麦秆粉含量的增加，麦秆粉在h d p e 中的分散性变差，发泡h d p e 的泡孔变大均匀性变差；硅烷偶联剂的处理可以改善复合材料中麦秆粉纤维从 h d p e 中拔出的现象，同时硅烷偶联剂的处理改善复合材料中h d p e 基体的发泡 效果使泡孔的均匀性变好；麦秆粉目数的增加改善了h d p e 对麦秆粉的包覆效 果使两者的相容性变好，且当麦秆粉目数为4 0 一6 0 目时h d p e 基体的发泡效果较 好，泡孔较为均匀。 关键词：木塑复合材料，微孔发泡，麦秆粉，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯， 聚丙烯，力学性能 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，嬲ar e s e a r c hh o t s p o to fe n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc o m p o s i t e ，t h e m i e r o c e l l u l a rf o a m i n gw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e sn o to n l yh a sa l lt h ea d v a n t a g e so ft h e g e n e r a lw o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s ，b u ta l s oh a sl o wd e n s i t y , h i g ht o u g h n e s s ，s o u n d i n s u l a t i o n ，h e a ti n s u l a t i o na n do t h e ra d v a n t a g e s s oi ti sw i d e l yu s e di nc o n s t r u c t i o n , c a ri n t e r i o ra n de v e nm i l i t a r yf i e l d s c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e 西o n a l e c o n o m y , t h ep o s s i b i l i t yo fc o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d i n g f o rt h ew h e a ts t r a w p o w d e r h d p ec o m p o s i t e sw h i c hw a sm a d ea n dp r o c e s s e db yb l e n d i n gh d p ea n d w h e a ts t r a wp o w d e rw a ss t u d i e d t h r o u g ht h i sr e s e a r c h ，t h ec o s to fr a wm a t e r i a l sc a n b er e d u c e d ，t h ef o r e s tr e s o u r c e sw o u l db ep r o t e c t e d ，t h eu t i l i z a t i o na n dv a l u e a d d e do f t h ea g r i c u l t u r a lw a s t e ( w h e a ts t r a w ) c a nb ei n c r e a s e d ，a n dt h em o l d i n ge f f i c i e n c yo f t h e w o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s a l s oc a nb e i m p r o v e d b e c a u s e t h e p r o c e s s i n g t e m p e r a t u r eo fh d p ei sh i g h e rt h a n2 0 0 c ，w h i l et h ed e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo f w h e a ts t r a wp o w d e ri sa r o u n d1 7 0 ，t h ec h e m i c a lb l o w i n ga g e n ti su s e dt oi m p r o v e t h em e l tf l o wr a t e ( m f r ) o ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ec o m p o s i t e sa n dr e d u c e t h ep r o c e s s i n gt e m p e r a t u r eo ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ec o m p o s i t e s i nt h i ss t u d y , f o a m i n gp o l y o l e f i na n dw h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n g c o m p o s i t e ss a m p l ew e r ep r e p a r e du s i n gt h ei n j e c t i o nm o l d i n g f i r s t l y , t h ei n f l u e n c e o ft h ec o n t e n ta n df o r m ( p o w d e rv s m a s t e r b a t c h ) o fc h e m i c a lf o a m i n ga g e n t a z o d i c a r b o n a m i d e ( a c ) o nt h ed e n s i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d y n a m i cm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dc e l lm o r p h o l o g yo ff o a m i n gp o l y o l e f i n ( h d p e 、l d p e 、p p ) w e r e s t u d i e d s e c o n d l y , t h ei n f l u e n c eo ft h ec o n t e n ta n dm e s ho fw h e a ts t r a wp o w d e ra n d t h ec o n t e n to fs i l a n ec o u p l i n ga g e n to nt h em e l tf l o wr a t ea n dt h et h e r m a lp r o p e r t yo f w h e a ts t r a wp o w d e r h d p ec o m p o s i t e sw e r es t u d i e d f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo ft h e c o n t e n to fa c ，t h ec o n t e n ta n dm e s ho fw h e a ts t r a wp o w d e ra n dt h ec o n t e n to fs i l a n e c o u p l i n ga g e n to nd e n s i t y , m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，d y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dc e l lm o r p h o l o g yo ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sw h i c h m a d eb yi n j e c t i o nm o l d i n gw e r es t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa r ei l l sf o l l o w s ： i i i a b s t r a c t l 、f o rf o a m i n gp o l y o l e f i n ，t h ea cf o r mh a sl i t t l ee f f e c to nt h ed e n s i t y , m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc e l lm o r p h o l o g yo ff o a m i n gp o l y o l e f i n c o m p a r e dw i t ht h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp u r ep o l y o l e f i n ，t h ep r o p e r t i e so ff o a m i n gp o l y o l e f i ns h o w n os i g n i f i c a n t l yi m p r o v e m e n t o nt h ec o n t r a r y , t h et e n s i l e p r o p e r t i e sa n di m p a c t p r o p e r t i e so ft h ef o a m i n gp o l y o l e f i na r ed e c l i n e d ，b u ti t sf l e x u r a lp r o p e r t i e sa r e i n c r e a s e d w h e na cc o n t e n ti s2 w t ，t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e so ff o a m i n g p o l y o l e f i ni sb e t t e rt h a no t h e r s c o m p a r e dw i t ht h el o s sm o d u l u so fp u r ep o l y o l e f i n ， t h es t o r a g em o d u l u sa n dt h el o s sm o d u l u so ff o a m i n gl d p ea n df o a m i n gh d p ei s d e c l i n e d ，w h i l et h es t o r a g em o d u l u sa n dt h el o s sm o d u l u so ff o a m i n gp pi s i n c r e a s e d t h eu n i f o r m i t yo ft h ef o a m i n gp o l y o l e f i ni sb a d ，t h ef o a m i n ga r e ai sn a r r o w a n dm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h ec e n t e ro ft h es a m p l e w i t ht h em a t r i xr e s i nd i f f e r e n t ， c e l lm o r p h o l o g ya n ds u r f a c em o r p h o l o g yo fn o n f o a m i n g p a r ta r eq u i t ed i f f e r e n t 2 、f o rr h e o l o g i c a l p r o p e r t ya n d t h e r m a l p r o p e r t yo ft h e w h e a ts t r a w p o w d e r h d p ec o m p o s i t e s ，t h e m e l t f l o wr a t e ( m f r ) o ft h ew h e a ts t r a w p o w d e r h d p ec o m p o s i t e sd e c l i n e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fw h e a ts t r a wp o w d e r c o n t e n ta n ds i l a n e c o u p l i n ga g e n tc o n t e n t h o w e v e r ,m f ro ft h ew h e a ts t r a w p o w d e r h d p ec o m p o s i t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fm e s ho fw h e a ts t r a w p o w d e r 砀ee f f e c to fs i l a n ec o u p l i n ga g e n tc o n t e n ta n dm e s ho fw h e a ts t r a wp o w d e r o nt h em e l t i n gt e m p e r a t u r e ( t m ) a n dt h ed e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r e ( t d ) o fw h e a t s t r a wp o w d e r h d p ec o m p o s i t e sa r ev e r yl i m i t e d 3 、f o rd e n s i t yo ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e s ，t h ed e n s i t y o ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n g o fw h e a ts t r a wp o w d e rc o n t e n t w h e nw h e a ts t r a wp o w d e rc o n t e n ti s5 0 w t ，t h e d e n s i t yo ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e si si n c r e a s e db y18 t h ee f f e c to fs i l a n ec o u p l i n ga g e n tc o n t e n t ，m e s ho fw h e a ts t r a wp o w d e ra n da c c o n t e n to nt h ed e n s i t yo ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sa r ev e r y l i m i t e d 4 、f o rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n g c o m p o s i t e s ，c o m p a r e dw i t ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ef o a m i n gh d p e ，t h e t e n s i l es t r e n g t ho ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sd e c l i n e d ，s m a l l c h a n g e si nt h ef l e x u r a lp r o p e r t i e s ，t h ei m p a c ts t r e n g t hi n c r e a s e d a tt h es a m et i m e ，t h e i v a b s t r a c t s t o r a g em o d u l u sa n dt h el o s sm o d u l u so fi ti n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go fw h e a t s t r a wp o w d e rc o n t e n t ，t h et e n s i l ea n di m p a c tp r o p e r t i e so fw h e a ts t r a wp o w d e r h d p e f o a m i n gc o m p o s i t e sd e c r e a s e d ，t h ef l e x u r a lp r o p e r t i e si n c r e a s e d a tt h es a m et i m e , t h es t o r a g em o d u l u sa n dt h el o s sm o d u l u so fi ti n c r e a s e d s i l a n ec o u p l i n ga g e n t t r e a t e dt om a k et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n g c o m p o s i t e si n c r e a s e d w h e nc o n t e n t o fs i l a n e c o u p l i n ga g e n ti s6 w t ，i t s c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c sp e r f o r m a n c ei st h eb e s t c o m p a r e d 、历t l lt h ew h e a ts t r a w p o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sw i t h o u tt r e a t e db ys i l a n ec o u p l i n ga g e n t ，t h e s t o r a g em o d u l u sa n dt h e l o s sm o d u l u so ft h ew h e a ts t r a wp o w d e r h d p ef o a m i n g c o m p o s i t e sw i 廿lt r e a t e db ys i l a n ec o u p l i n ga g e n ta r ei n c r e a s e d w i t ht h ei n c r e a s i n go f m e s ho fw h e a ts t r a wp o w d e r , t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ew h e a ts t r a w p o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sf i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d w h e np a r t i c l e s i z eo fw h e a ts t r a wp o w d e ri s4 0 6 0m e s h ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fw h e a ts t r a w p o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e si st h eb e s t w h e np a r t i c l es i z eo fw h e a ts t r a w p o w d e ri s6 0 - 8 0m e s h ，t h es t o r a g em o d u l u sa n dt h el o s sm o d u l u so fw h e a ts t r a w p o w d e r h d p ef o a m i n gc o m p o s i t e sa r eh i g h e rt h a no t h e r s 5 、f o rm i c r o s t r u c t u r e ，s e mo b s e r v a t i o ns h o w st h a tt h em o r p h o l o g yo fw h e a t s t r a wp o w d e rd o e sn o tc h a n g ew h i c ht r e a t e db ys i l a n ec o u p l i n ga g e n t w i t ht h e i n c r e a s i n go fw h e a ts t r a wp o w d e rc o n t e n t ，t h ed i s p e r s i o no fw h e a ts t r a wp o w d e rg e t s w o r s e , t h es i z eo fc e l li n c r e a s e sa n dt h eu n i f o r m i t yo ft h ec e l lg e t sw o r s e t h eu s eo f s i l a n ec o u p l i n ga g e n tc a ni m p r o v et h ep h e n o m e n o no fw h e a ts t r a wp o w d e rp u l lo u t f r o mt h eh d p ea n dc a l li m p r o v et h eu n i f o r m i t yo ft h ec e l l w i t ht h ei n c r e a s i n go f p a r t i c l es i z eo fw h e a ts t r a wp o w d e r , t h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nw h e a ts t r a wp o w d e r a n dh d p ei si m p r o v e d w h e np a r t i c l es i z eo fw h e a ts t r a wp o w d e ri s4 0 6 0m e s h ，t h e u n i f o r m i t yo fe e l l i sb e t t e rt h a no t h e r s k e yw o r d s ：w o o d p l a s t i cc o m p o s i t e s ，m i c r o c e l l u l a rf o a m i n g , w h e a ts t r a wp o w d e r , h i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( h d p e ) ，l o wd e n s i t yp o l y e t h y l e n e ( l d p e ) ， p o l y p r o p y l e n e ( p p ) ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s v 1 绪论 1绪论 本章在阅读文献的基础上，介绍了木塑复合材料的概念、研究意义、研究 现状和应用范围；通过对相关研究成果的整理分析，确定了本文的研究思路、 试验设计和工作步骤。 1 1 木塑发泡复合材料的研究现状 木塑复合材料( w o o dp l a s t i cc o m p o s i t e s ，w p c ) 在美国材料试验协会标准 ( a m c r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ，a s t m ) 中的定义是：“一种主要以 木材或纤维素为基础材料，与一种或多种塑料制成的复合材料 【l 】。广泛应用于 建筑行业，同时在汽车行业的应用也在不断增加【2 j j 。 尽管木塑复合材料已经商业化，但由于它的脆性大、耐冲击性差、比纯塑 料的密度高等缺点使得其在许多工业的应用潜力受到限制。如果上述这些缺点 可以得到改善那么它在新领域中的应用范围将得到扩大。在木塑复合材料中引 入微孔结构作为改善这些缺点的一种手段已经成功地得到证实【2 】。 木塑发泡复合材料中泡孔的存在使得它的密度相对于未发泡的木塑复合 材料降低了1 0 到5 0 ，因此可以有效地节约原料，从而降低成本。同时，木 塑微孔发泡复合材料中微孔结构的存在能够钝化裂纹尖端，有效的阻止材料中 原有裂纹的扩展，因此材料的抗冲击强度、韧性、断裂仲长率等性能都得到了 显著的提高【4 】。与未发泡的木塑复合材料相比木塑发泡复合材料具有更光滑的 表面、更清晰的轮廓和棱角【2 】。同时，由于气体的塑化效果，与同种未发泡的木 塑复合材料相比发泡材料可以在较低的成型温度下进行较快的成型，从而使得 制品的生产成本得到降低【2 j 。 1 1 1 国外研究现状 木塑发泡复合材料的成型工艺、加工技术及应用历史都比较短，与未发泡 的木塑复合材料一样，木塑发泡复合材料工业在北美发展比较迅速，工艺技术 和工业化应用都处于世界领先地位5 1 。在2 0 世纪8 0 年代中期，美国m a r l e y m o l d i n g 公司开始生产3 晰木粉填充p s 的发泡注塑制品f 6 】。目前，国外木塑 1 绪论 发泡复合材料研究的重点主要是木粉及塑料表面的改性、复合材料的增强增韧、 废旧塑料的回收及发泡剂的改性等几个方面。 b l e d z k ia k 等f 7 】通过常规注塑成型方法用化学发泡剂制备得到p p 木纤维微 发泡复合材料，通过改变成型工艺参数得到三明治结构的p p 木纤维微发泡复合 材料。通过密度测试发现与未发泡的p p 木纤维复合材料相比其密度下降了 2 0 2 5 ；通过吸水性测试可以看出，发泡使得p p 木质纤维复合材料的吸水性增 高；偶联剂p p g - m a h 的添加使得p p 木纤维微发泡复合材料的吸水性明显降低。 b l e d z k ia k 等【8 】将两种熔体流动速率不同的p p 分别与硬质木纤维用双螺杆 挤出机进行混合造粒，然后与不同类型的化学发泡剂( 吸热型、放热型和吸热 放热混合型) 混合后进行注塑成型制得p p 硬质木纤维微发泡复合材料。研究发 现，用放热型化学发泡剂制得的p p 硬质木纤维微发泡复合材料的泡孔形态明显 优于其它两种发泡剂；偶联剂p p g - m a i l 的添加使得用放热型发泡剂发泡的p p 硬质木纤维发泡复合材料的力学性能提高了8 0 ；p p 的熔体流动速率及注塑成 型工艺参数都会对微发泡复合材料的力学性能和泡孔形态产生很大的影响。 b l e d z k ia k 等【9 】用不同类型的化学发泡剂( 吸热型、放热型和吸热放热混 合型) 对p p 硬质木纤维复合材料进行微孔发泡并用注塑成型制得p p 硬质木纤 维微发泡复合材料。研究发现，微发泡在很大程度上可以改善复合材料的表面 粗糙度，且用吸热型化学发泡剂制得的p p 硬质木纤维微发泡复合材料与未发泡 的该材料相比其表面粗糙度降低近7 0 ；发泡剂含量及类型对材料的冲击性能 有着明显的影响并且发泡剂的最佳含量与木塑复合材料中木质纤维的含量有 关；用偶联剂p p g - m a h 处理的硬质木纤维和p p 的复合材料由放热型化学发泡 剂发泡制得的p p 硬质木纤维微发泡复合材料与未发泡的该材料相比其抗阻尼 系数降低了6 0 。 b l e d z k ia k 等【1 0 , 1 1 】发现，随化学发泡剂和木纤维含量的增加，p p 硬质木纤 维微发泡复合材料的拉伸强度和弯曲强度出现下降，偶联剂p p g - m a h 的添加 使得p p 硬质木纤维微发泡复合材料的拉伸强度和弯曲强度比未添加的复合材 料都有所提高。复合材料的拉伸模量随着发泡剂含量增加而降低，但当发泡剂 含量一定时，拉伸模量则随着复合材料内部微孔数量的增加而增加，这说明良 好的泡孔结构有利于材料的力学性能的提高。 g u og 等【1 2 】将三种不同粒度的用偶联剂p e g - m a h 处理过的软质木纤维与 h d p e 在双螺杆挤出机中混合造粒，然后用物理发泡剂c 0 2 在单螺杆挤出机进 2 1 绪论 行物理发泡，研究木粉粒度对木塑发泡复合材料的粘度、密度及泡孔形态的影 响。研究发现：( 1 ) 粒度小的木粉所制得的木塑发泡复合材料的泡孔形态较好、 孔径较小且具有更好的分散性；( 2 ) 粒度小的木粉所制得的木塑发泡复合材料 的泡孔直径大部分小于5 0 p m 且密度介于0 4 0 8 9 c m 3 之间；( 3 ) 木粉粒度较小 的木粉h d p e 复合材料的粘度较高。 m a t u a n al m 等【1 3 】用吸热型和放热型化学发泡剂分别对硬质p v c 木粉复合 材料进行化学发泡并挤出成型，发现放热型发泡剂制得的复合材料的气泡平均 尺寸比吸热型的小，孔隙率可以达到3 5 ；发泡后的复合材料延展性能较高， 但其拉伸模量和拉伸强度较低。 l iq x 等【1 4 】研究了化学发泡剂含量、类型( 吸热型或放热型) 及形态( 发泡 剂粉末或发泡母料) ，偶联剂的使用与否对挤出成型的h d p e 木粉发泡复合材料 孔隙率以及泡孔形态的影响。结果表明：( 1 ) 发泡剂的种类( 吸热型或放热型) 及形态( 发泡剂粉末或发泡母料) 都不会对发泡h d p e 及h d p e 木粉发泡复合 材料的孔隙率造成影响；( 2 ) 无论用哪种类型的发泡剂，其用量都会对复合材 料中气泡的平均孔径产生显著的影响；( 3 ) 不论用哪种类型的发泡剂对h d p e 及h d p e 木粉复合材料进行发泡，当发泡剂质量分别为总质量的1 和o 5 时 复合材料的孔隙率达到最大值；( 4 ) 偶联剂的使用可以获得较高孔隙率的h d p e 木粉发泡复合材料。 1 1 2 国内研究现状 我国木塑发泡复合材料的研究起步较晚。大部分的发泡改性研究是关于 p v c 基木塑复合材料的，并且以挤出成型为主。近年来，木塑发泡复合材料的 研究方向主要集中在配方体系( 塑料基体种类、木粉种类及其含量、发泡剂的 种类及含量、加工助剂的种类及含量) 及成型工艺参数等对其发泡程度、泡孔 形态及成型制品的力学和其它性能的影响。 姚祝平【”】重点研究了挤出成型的成型工艺条件对木质纤维p v c 发泡复合材 料泡孔形态的影响。研究发现：( 1 ) 挤出压力越大，复合材料内泡孔数量越多、 泡孔直径越小、发泡倍率越大；( 2 ) 在充分塑化的条件下，采用低温挤出所制 备的复合材料的泡孔直径较小、泡孔数量较多、泡孔形态优良。 高巧春【1 6 】以p p 与l d p e 为基体树脂，以用偶联剂马来酸酐接枝聚丙烯 ( m a h g - p p ) 处理过的6 0 目以下稻壳粉为充填物，以偶氮二甲酰胺( a c ) 为 3 1 绪论 发泡剂，采用注射成型方法制备了稻壳粉p p l d p e 微发泡复合材料。对复合材 料的力学性能、热性能、加工流动性能和泡孔形态进行研究。研究发现：( 1 ) 随着稻壳粉含量的增加，复合材料拉伸强度和冲击强度急剧下降，弯曲强度上 升，密度增加，维卡软化点明显上升，加工流动性变差，泡孔均匀性变差；( 2 ) 随发泡剂a c 用量的增加，复合材料的泡孔直径变大，泡孔结构由闭孔变为开孔； ( 3 ) 偶联剂m a h g p p 的加入提高了复合材料的力学性能和热性能，改善了稻 壳粉的分散性和基体塑料的发泡性能，m a h g p p 用量为6 份时，复合材料的冲 击强度、拉伸强度和密度最大，m a h g p p 用量为8 份时，复合材料弯曲强度和 维卡软化点最大；( 4 ) 当p p ：l d p e 为7 0 ：3 0 时，复合材料综合性能较佳。 张军【1 7 】采用化学发泡剂在普通注塑机上制备得到p p 木粉微发泡复合材料 试样，系统的分析和讨论了配方和工艺参数对试样密度、泡孔结构、力学性能 及表面质量的影响。研究发现，( 1 ) 木粉p p 复合材料的熔体流动速率( m f r ) 与基体树脂本身的m f r 密切相关，且随木粉含量的增加而下降；( 2 ) 发泡剂 a c 较佳含量为1 2 份，相容剂p p g - m a h 的较佳用量为9 1 2 份，木粉的最佳用 量为3 0 - 4 0 份；( 3 ) 注射成型工艺参数对发泡试样的表观质量及泡孔形态都会产 生很大的影响，当注射压力为1 0 0 m p a 、机筒温度为1 7 0 1 8 0 、模具温度为7 0 8 0 时，p p 木粉发泡复合材料试样的发泡效果、表观质量及各项性能较好。 1 2 木塑发泡复合材料注塑成型的制备理论 1 2 1 注塑成型过程 木塑发泡复合材料的发泡工艺就是在木质纤维塑料的熔融体系中分散气 体，然后将该体系冷却、定型从而得到具有连续均匀泡孔结构制品的过程。木 塑发泡复合材料的成型方法包括间歇成型、注塑成型、挤出成型和模压成型这 四种。其中，模压成型和挤出成型己取得了阶段性的成果，而注射成型是一个 崭新的研究领域，还处于探索阶段【l 引。 木塑复合材料的发泡方法有物理发泡法和化学发泡法两种。物理发泡法是 在一定压力下将物理发泡剂注入木质纤维基体树脂混合物中，当混合物受热时， 发泡剂挥发或升华产生大量气体，使混合物发泡；化学发泡法是将化学发泡剂 均匀地分散在木质纤维基体树脂混合物中，在一定的加工温度下，发泡剂发生 化学变化或快速分解产生一种或多种气体，使该混合物发泡【l 州。 4 l 绪论 与一般发泡聚合物相似，木塑发泡复合材料也要经过聚合物气体均相体系 形成、气泡成核、气泡增长及定型三个关键步骤【2 0 1 。化学发泡木塑复合材料的 注塑成型过程一般是由以下三个阶段组成： ( 1 ) 聚合物气体均相体系形成：将木塑粒料、化学发泡剂及其它加工助 剂按配方混好后加入注塑机的料筒，在注塑机中由于外热和螺杆剪切的联合作 用物料开始熔融塑化并混合，同时化学发泡剂受热分解产生的气体在压力作用 下全部溶解在聚合物中形成聚合物气体均相体系； ( 2 ) 气泡成核：当达到一定的注射量时，熔体在螺杆的推动作用下以高速 注入常压模具中，此时压力骤降从而使溶解在熔体中的气体过饱和，进而自发 析出形成气泡核； ( 3 ) 气泡增长及定型：由于模具型腔内熔体只受到腔内排出空气的反压作 用，其远小于熔体内压从而使得分布在熔体中的泡核在型腔中开始膨胀；在冷 却系统的作用下模腔内的熔体逐渐冷却，熔体粘度上升流动性下降从而使得泡 孔的膨胀终止即泡孔定型，此时熔体也按照模具型腔形状定型；最后开模顶出 即可得到木塑发泡复合材料的制品。 1 2 2 泡孔形成理论 1 2 2 1 气泡成核理论 聚合物熔体中形成气泡主要有经典成核理论、自由体积理论、热点成核理 论、剪切成核理论、界面成核理论和移植核理论6 种成核机理，其中适用于木 塑发泡复合材料注塑成型过程中的成核理论有热点成核理论、界面成核理论和 移植核理论3 种。 ( 1 ) 热点成核理论 热点成核理论可以概括为：当聚合物熔体中存在大量温度高于周围介质的 热点饱和气体时，由于热点处的温度较高，使其周围熔体粘度降低、表面张力 减小、气体在熔体中的溶解度下降，从而使聚合物熔体中的气体分子向热点聚 集，形成气泡核【2 0 】。在木塑发泡复合材料注塑成型过程中形成热点主要有两种 方式，一是通过放热型发泡剂的化学分解或重排生成热点【2 ，二是木粉塑料熔 体注射时在喷嘴处膨胀，熔体因膨胀而温度下降，但成核剂和木粉粒子并不膨 胀，仍旧保持高温，从而形成相对的高温热尉2 2 1 。 5 1 绪论 ( 2 ) 界面成核理论 界面成核理论是非均相成核理论的一种。木粉塑料熔融体系中存在的木粉、 可能存在的成核剂及其它杂质等固体颗粒，其中某些颗粒为疏松多孔的结构， 或者具有粗糙不平的表面。这些颗粒在进入机筒前空气等气体已被吸附在颗粒 的内部或表层深处，由于粗糙表面内的劈楔作用及劈楔的阻力和气体的存在， 外部熔体不易进入劈楔的内部，结果劈楔的尖端被熔体封闭成微小的空穴。在 这种空穴存在的情况下，也会优先成核 2 0 1 。 ( 3 ) 移植核理论 g u og 等【2 3 】对木粉h d p e 复合材料进行发泡的研究中，以加入的木质纤维 作为气泡核而并不加入发泡剂，仅靠木粉所释放出水分和挥发性气体使泡核膨 胀，故称为移植核理论。这种方法与传统的微孔发泡相比，减少了气体在聚合 物中扩散这个缓慢过程，大大