木粉增强HDPE复合材料的制备及其性能研究

1、第34卷第6期辽宁化工V ol.34,N o.6 2005年6月Liaoning Chemical Industry June,2005木粉增强HDPE复合材料的制备及其性能研究栾晓春(沈阳沃而得复合材料有限公司,辽宁沈阳110027摘要:以废弃木粉为增强材料,采用双螺杆挤出机,制备木粉增强高密度聚乙烯复合材料,研究改善木粉增强高密度聚乙烯复合材料力学性能的途径。结果表明,随着木粉加入量的增加复合体系的力学性能得到明显改善;通过适当的方法对木粉进行表面处理、对基体树脂进行改性,可以有效地提高复合体系的界面粘接强度,大幅度改善复合体系的力学性能;采用短切玻璃纤维与木粉组合,可以获得力学性能很高,

2、能作为结构材料使用的复合材料。关键词:木粉;高密度聚乙烯;玻璃纤维;复合材料中图分类号:T Q314文献标识码:A文章编号:10040935(200506024103木粉价廉易得且具有一定的强度,可以作为增强剂来改进高密度聚乙烯的力学性能,并降低生产成本。另外,木纤维作为天然可再生材料,具有生物降解性,因此,高填充木粉的高密度聚乙烯复合材料也具备一定的环境相容性,是一种可减轻目前“白色污染”的环保型材料。研究表明,木粉填料的加入,使得树脂的力学性能(包括拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等提高。但木粉易吸湿,与热塑性塑料粘合性差,难以获得力学性能优良的木粉增强热塑性复合材料。为了改善它们之间的界面粘

3、结,许多学者进行了多方面有益的尝试。如何对木粉增强热塑性塑料进行改性,是得到高性能植物纤维增强热塑性复合材料的关键。1实验部分1.1原材料高密度聚乙烯(H DPE,牌号1158,齐鲁石油化工公司;木粉,废弃的锯木屑,过60目筛;马来酸酐接枝高密度聚乙烯(H DPE-g-M AH,自制;短切玻璃纤维,沈阳长白物质公司;偶联剂KH-550,KH-570,南京曙光化工公司。1.2实验仪器设备5L高速混料机:沈阳苏家屯塑料机械厂;<30 mm单螺杆挤出机:沈阳苏家屯塑料机械厂;万能电子拉力机:承德金键测试仪器有限公司;简支梁冲击强度试验机:承德金键测试仪器有限公司。1.3木粉的表面处理将木粉放入

4、高混机中,升温至110,并抽真空15min,木粉中含有很多亲水性羟基,易吸湿,影响加工质量,因此使用前应进行预处理,充分烘干。再将偶联剂与去离子水搅拌混匀,使其水解,并将其加入到在高混机中干燥的木粉中,升温至120,混合均匀,使偶联剂水解形成的反应基团与木粉表面的极性基团充分反应。1.4木粉增强高密度聚乙烯复合材料的制备木粉与高密度聚乙烯、H DPE-g-M AH、润滑剂等按一定配比混合均匀后,于单螺杆挤出机,通过口模直接挤制成力学性能测试样条。1.5木粉与短切玻璃纤维组合增强高密度聚乙烯的制备木粉、短切玻璃纤维、高密度聚乙烯、DHPE-g-M AH、润滑剂等按一定配比混合均匀后,于单螺杆挤出

5、机通过口模直接挤制成力学性能测试样条。1.6材料力学性能的测试采用万能电子拉力机测定复合材料的拉伸和收稿日期:2005203214作者简介:栾晓春(1964-,女,工程师。弯曲性能,采用简支梁冲击试验机测定复合材料的冲击性能。2结果与讨论2.1界面处理对复合体系的影响通过对木粉进行表面处理所制得的木粉增强高密度聚乙烯复合材料,其力学性能如表1。表1界面处理方法对复合材料力学性能的影响木粉表面处理方法拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kgm2,在木粉填充的聚合物中,其界面如果能形成强的粘接,则可以使其起到增强的作用。未经处理的木粉分散性差,与高密度聚乙烯复合后,由于二者间的相容性差,在

6、成型加工过程中木粉未能被高密度聚乙烯熔体充分润湿,界面结合较差,因而力学性能较差。使用偶联剂KH-550或KH-570处理木粉,偶联剂水解后生成羟基,与木粉表面的羟基可以通过缩合反应形成化学键结合或通过氢键等形成强的相互作用,并包覆在木粉表面,减弱了木粉的亲水性,能有效地降低木粉的表面能,提高木粉的分散性,提高其与低表面能的高密度聚乙烯的润湿性,可在一定程度上改善两相间的界面粘结,因而其力学性能有所提高。2.2木粉含量对材料力学性能的影响表2列出了木粉含量对高密度聚乙烯复合材料力学性能的影响。表2木粉含量对材料力学性能的影响木粉质量分数/%拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kgm2由

7、表2可见,随木粉含量的增加,材料的拉伸强度、弯曲强度都出现升高的趋势,可见,木粉的存在使得材料的拉伸强度和弯曲强度得到明显的改善,但是与其他大多数增强材料一样,在提高材料刚性的同时,也使材料的韧性出现下降的趋势,表现了冲击强度的下降,并随木粉含量的增多,冲击强度进一步下降,但趋势较平缓。2.3改性高密度聚乙烯对材料力学性能的影响由于极性木纤维分子与非极性的高密度聚乙烯是不相容的,要使复合材料获得较好的力学性能,必须借助改性高密度聚乙烯,起到增溶剂的作用。对于木粉增强高密度聚乙烯而言,马来酸酐接枝高密度聚乙烯(H DPE-g-M AH是一种效果良好的增溶剂,其分子链上的M AH基团可以与木纤维分

8、子中的羟基形成酯键,其长链渗入到H DPE中与H DPE分子链相互缠结,从而提高了基体与纤维两相间的容合性。在加入50%木粉的条件下,不同含量的H DPE-g-M AH对材料力学性能的影响见表3。表3H DPE-g-M AH用量对材料力学性能的影响H DPE-g-M AH用量/%拉伸强度/MPa冲击强度/(k Jm2弯曲强度由表3可知,H DPE-g-M AH用量由10%增至20%材料的拉伸强度、弯曲强度均有明显的提高。但就H DPE-g-M AH用量为20%和30%的试样而言,两者的性能就比较接近了。这说明依靠增加增溶剂用量来提高材料的力学性能是有限的。一方面是因为H DPE-g-M AH对

9、木纤维的包覆有一个临界含量,超过此值再继续加入,过量的H DPE-g-M AH不仅存在于两相的界面,而且存在于H DPE的基体中;另一方面是因为所用的H DPE-g-M AH的熔体流动速率比H DPE高很多,分子量较小,因而强度也低一些。当用量再增加时,相当于降低了基体树脂的强度。在共混过程中,H DPE-g-M AH组分向纤维与基体的界面扩散而形成界面层。由于其强度比H DPE低,过量的加入就可能使复合材料的力学性能下降。2.4木粉与短切玻璃纤维的组合增强不同木粉含量、玻璃纤维含量的组合增强复合材料的力学性能如表4。242辽宁化工2005年6月表4木粉与短切玻璃纤维组合增强H DPE 的力学

10、性能木粉质量分数/%玻璃纤维质量分数/%拉伸强度/MPa 弯曲强度/MPa冲击强度/(k J m 22052.0368.1614.58从表4中可以看到,在相同木粉含量的复合体系中,随着玻璃纤维含量的增大,材料的拉伸、弯曲及冲击性能均呈提高趋势。木粉含量对材料力学性能的影响与其中的玻璃纤维的含量有关。在不含玻璃纤维的体系中,随着木粉含量的提高,材料的拉伸、弯曲性能均有所改善;当玻璃纤维的质量分数为10%20%时,木粉的质量分数从0提高到20%,材料的拉伸性能仍能保持上升的趋势,但是随着木粉含量的进一步增加时,由于体系在混合、加工时,一些玻璃纤维及木粉不能完全被聚合物包覆,从而造成界面缺陷。3结论

11、(1将木粉进行适当的表面处理可以提高木粉的分散性,改善木粉与高密度聚乙烯之间的相容性,有利于木粉增强高密度聚乙烯复合材料力学性能的改善。(2木粉的加入,可使高密度聚乙烯复合材料的拉伸性能、弯曲性能得到明显提高,并随木粉加入量的增加而提高。但冲击强度有平缓下降的趋势。(3改性高密度聚乙烯的加入,可以明显提高木粉增强高密度聚乙烯复合材料的拉伸强度和弯曲强度。(4木粉与短切玻璃纤维组合增强高密度聚乙烯复合材料中,随着玻璃纤维含量的增大,材料的性能明显提高,采用短切玻璃纤维与木粉组合增强,可以大幅度提高木粉增强高密度聚乙烯的力学性能,同时降低玻璃纤维增强高密度聚乙烯的成本。参考文献1廖兵,黄玉惠,陈鸣

12、才.改性木纤维对LDPE 和木纤维复合材料力学性能的影响.高分子材料科学与工程,1999,15(3:123-1252李思良,刘易凡.植物纤维/热塑性树脂界面胶接作用研究.现代塑料加工应用,1999,10(6:18-193揣成智,李树,等.聚丙烯/接枝木纤维复合材料相容性及性能的研究.中国塑料,2000,14(5:23-28社,1998:1065M annan K H M ,M munir M D S.Characterization of jute fiberstreated with s oap -glycelles.Journal of Applied P olymer Sci 2ence

13、 ,200077:852-856Preparation and Property Study of Wood Flour R einforced H DPELUAN Xiao 2chun(Shenyang G racew orld C omposite Materials C O.LT D.,110027,China Abstract :Rein forced high density polyethylene composite with w ood flour were prepared by twin-screw extruder and methods to m odifytheir

14、mechanical properties were studied.Results showed that the composite mechanical properties were improved as w ood flour dosage was increased.The proper surface treatment of w ood flour and the m odification of matrix resin can effectively increase the interfacial ad 2hesion strength significantly and improve the mechanical properties of the system.C omposites with high mechanical proper