竹塑复合材料流变行为分析.pdf

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1、竹 塑复合材 料流变行为分析 刘晓玲，杨文斌，邱仁辉(福建农林大学材料工程学院，福州 3 5 0 0 0 2)应用研奔 摘 要：以竹粉和 聚丙烯 粉剂为原料，马来酸酐接 枝聚 丙烯 为相容 荆，通过转 矩 流变仪 测试混 合物料在 熔合 状 态 下扭矩、温度及时间的变化情况，同时分析 了不同粒径竹粉对混合体 系流变性能的影响。试验结果表明：混合体系 的最大扭矩、平衡扭矩及平衡时间与竹粉粒径的关系基本都呈类抛物线关系，随着竹粉粒径的增大呈现先增大后 减小的趋势，即竹粉粒径在 2 0 4 0目、2 0 0目时，流变参数值较小，流变性能比较好。关 键词：复合材料；流变行为；平衡扭矩；竹粉粒径；袁观粘

2、度 A n a l y z i n g o n t h e R h e o l o g i c a l B e h a v i o r o f B a mb o o P o l y p r o p y l e n e C o mp o s i t e L I U X i a o-l i n g，Y A N G We n-b i n Q I U R e n-h u i Ab s t r a c t：Wi t h b a mb o o fl o u r a n d p o l y p r o p y l e n e r e s i n a s r a w ma t e r i a l a n d

3、t h e ma l e i e a n h y d rid e g r a f t e d p o l y p rop y l e n e a s c o mp a t i b i l i z e r，b y t h e t o r q u e r h e o me t e r mi x i n g fi r s t l y，t h e n t h e t o r q u e，t e mp e r a t u r e a n d t i me c h ang e s o f mi x e d ma t e ri a l s i n t h e f u s i o n s t a t e w

4、e r e t e s t e d，a n d t h e e ff e c t s o f d i ff e r e n t p a r t i c l e s s i z e o f b a mb o o fl o u r o n r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f mi x e d s y s-t e m w e r e a n aly z e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t：t h e ma x i mu m t o r q u e，b a l a n c e t o r q u e a

5、 n d b alan c e t i me b a s i c all y p r e s e n t p a r a b o l i c r e l a t i o n s h i p wi t h t h e p a r t i c l e s i z e o f b a mb o o fl o u r，a s t h e p a r t i c l e s i z e o f b a mb o o p o w d e r i n c r e a s e d a t f i r s t t h e y i n c r e ase d a n d t h e n d e c r e ase

6、 d，t h a t i s，w h e n b am b o o flo u r i s i n 2 0 t o 4 0 me s h e s，2 0 0 me s h e s，t h e r h e o l o g i c al p a r a me t e r v alu e s p r e s-e nt s ma l l e r an d b e t t e r t h e o l o gi c a l pr o pe r t i e s Ke y wo r d s：Co mp o s i t e；Rh e o l o g i c al b e h a v i o r；B ala n

7、c e t o r q u e；P a r t i c l e s i z e of b am b o o fl o u r；A p p a r e n t v i s c o s i t y Au o r s a d d r e s s：F a c u l t y o f Ma t e r i al E n g i n e e r i n g，F u j i a n A g r i c u l t u r e a n d F o r e s t r y U n i v e r s i t y，3 5 0 0 0 2 F u z h o u，C h i n a 随着环保与经济时代 的来 临，成

8、本低、性能好并 且具备一定的环境相容性 的复合材料具有 越来越广 阔的市场前景。近年来，天然植物纤维作为增强材料 的优势越来越受 大众 的关注。因为它不仅具有资源 丰富，价格低廉，密度比其他无机纤维都小，而模量和 拉伸强度与无机纤维 相近 j，同时还 具有可 反复加 工、不易吸水受潮、可生物 降解 等特点 2-3 。我 国竹 资源丰富，有着“竹子王 国”之称，而竹纤维作为植物 纤维的一类，有其 自身的特点，具有独特的抗 菌、防臭 性能及优 良的着色 性、耐磨 性，且成 本较低，可 塑性 好等 4-5 。流变性能是衡量竹塑复合材料加工性能的一个 重要指标。竹塑复合体系在注塑、挤 出成型过程 中，

9、体系的流变特性对加工过程和最终制 品的各种性能 也有很大的直接影响_ 6 J，具有相 当重要的实际意义。如测定混合料的流变参数，进行流变分析，并确定其 与加工变量之间的关系，来控制加工过程，使之高产、收稿日期：2 0 0 9-0 3 1 3 修回日 期：2 0 0 9-0 4 1 5 基金项 目：国家 自然科学基金项 目“植 物纤 维 热塑性塑料复合材料流 变行为的研究”(编号：3 0 7 7 1 6 8 3，3 0 5 7 1 4 6 1)。第一作者简介：刘晓玲(1 9 8 2 一)，女，硕士生，主要从事木塑复合材料 的研究。通讯作者：杨文斌，男，教授。E-m a i l：f a f u y

10、 w b 1 6 3 C O rn。林业 f 杖开度2 0 0 9年第 2 3卷第4期 优质、低能耗。从 目前 的研究情况看，主要是对木 纤维 热塑性复合材料的流变性 能 的研究，竹纤 维增强热塑性塑料复合材料的流变性能研究较少见。本文作者 曾对竹粉含量、转矩流变仪转速及偶联剂用 量这 3个 因素对混合体 系转矩流变性能的影响进行 了分析，并得出初步结论：竹粉含量对混合体系转矩 的影响显著 。由于研究共混熔体 的流变特性对共 混物的成型加工及产 品性能的改进有十分 重要 的意 义 引，因此，本文利用转矩流变仪对竹粉与聚丙烯塑 料及其他助剂的整个熔合过程中的转矩、稳定时间以 及粘度的变化特点和规

11、律进行了进一步研究。1 材料与方法 1 1 试 验 原料 聚丙烯塑料(2 2 5型)，南京金陵塑胶化工有限公 司；马来酸酐接枝 聚丙烯(MA P P)，上海海外化工有 限公司；竹粉：闽北3 a 以上生毛竹材经机械破碎加工 而成，粒径2 0 2 0 0目；润滑剂：硬脂酸(上海国药集 团化学试剂有限公司，分析纯)、石蜡(工业石蜡)。1 2仪 器设备 x s s-3 0 0型转矩流变仪，上海科创橡塑机械设 备有限公司。59 应用研究 1 I 3 竹塑复合物料的制备 由前期预备实验结果确定竹塑复合材料不 同组 分 的比例(质量百分 比)如下：聚丙烯，6 0；竹粉，3 0、4 0 ；MA P P，5 (

12、占竹粉用量)；其他助剂，适 量。制备时，将竹粉分别用不同粒径的筛子过筛，筛 选 出粒径为 2 0、4 0、6 0、8 0、1 0 0、1 2 0、2 0 0目的竹粉，置 普通烘箱中于 1 0 51 1 0 下干燥 8 h。将干燥后 的竹 粉与聚丙烯粉料混合，然后在密炼机 中进一步高温混 合。密炼机 三区的温 度分别为：1 8 5 、1 9 0 和 1 9 0 ，密炼机转速5 5 r mi n，试样量 1 0 0 g。2结果与分析 2 1 竹塑混合料在密炼机 中的流变行为 不 同粒径竹粉具有不 同的长径 比，粒径小 的竹 粉，长径 比也小，其在 熔融 体系 中 的分散性 能较好(将在另文 中报道

13、)。由于混合物料在注塑、挤 出过 程中，一般都是在熔融流动状态 下进行，这就要求所 加工的物料有恰当的流动性。流动性过小，则不利于 充模，造成注塑、挤出困难；而流动性过大，则不能形 成足够的压力，造成制品的强度缺 陷，且也不利于制 品定型。转矩流变仪带有恒容密炼室和 良好的温控系统，并带有一定形状的双转子，因此利用转矩流变仪在一 定温度、加料量、转子转速下，通过绘制转矩一 时间 曲 线，可以有效地分析、模拟和研究聚合物在密炼、挤 出 或注塑等加工过程中的流变行 为【1 3-1 5 1。转矩 流变仪 的转子在恒定转速下转动所需的驱动力增加或减小，则表现出扭矩的增加或减小。如图 1所示，混合物料的

14、扭矩随着塑化时间的延 长而变化。当物料加入后，有明显的加料峰，如竹粉 含量为 3 0 的流变 曲线的料峰值 A达到 3 0 N m，同 时伴随着温度下降(见图 2)，加料峰 以后 经过数分 钟，随着试样被压缩 和加热熔融，温度又开始上升，塑料开始塑化，转矩逐渐减小并达到最小点 B，扭矩 为 l 5 N m。随着温度进一步上升，剩余未熔融的粒子 开始熔融，从 B点到 c点，这一 阶段处 于半 熔融状 态，即为固液同时存在阶段，且此时还有部分未分散 的竹粉阻碍转子运转，因此扭矩略有回升。当热传递 和剪切生热对物料温度变化所起 的作用也逐 渐趋于 平衡，此时混合器中的物料密炼完全，扭矩趋于平衡。从转

15、矩一 时间曲线图可 以看 出，竹粉含量为 3 0 的混 合物料的塑化时间比竹粉含量为 4 0 的少，且平衡 扭矩也明显比较小。这说明竹粉含量也会影 响混合 物料的流变性能。60 时间 s 图 1 共混体 系扭 矩随时间的变化 时间 s 图2 共混体系温度随时间的变化 2 2竹 粉粒 径与 共混 体 系最 大扭 矩 的关 系 共混体系最大扭矩 出现在加料及塑化初期，反应 共混体系消耗功率会突然地增加，扭矩突然升得过高 容易导致设备意外停机，严重的甚至将造成经济损 失 。用表 1中最大转矩数据对竹粉的 目数作 图，得到如图 3所示的最大转矩与竹粉粒径关系曲线 图。从图 3可 以看 出，竹粉粒径从

16、2 02 0 0目，最大扭矩 与竹粉 目数的变化 曲线呈现两个峰值变化。我们对 这两个曲线峰 P 1、P 2进行 分段 G a u s s i o n曲线拟合，分别获得曲线 A、B，得出以下两个 回归方程：l nY1=4 31 0一 X2+191 0 一 X (1)l n Y 2=一 91 0一 X 2+2 21 0 一 X 一1 5 1 2 2(2)最后拟合得到类抛物线 C(如 图 3 a)。为了便于 观察分析，我们将左图 3 a简化为右图 3 b。表 1 不 同粒径竹 粉与 P P共混体 系流变参数 注：竹粉含量为 3 0 林业科技开发2 0 0 9 年第 2 3 卷第 4 期 争 Z 罨

17、-K 堪 应用研窍 图 3 最大扭矩 与竹 粉粒径的 曲线 图(a、b)2 3竹 粉粒 径对 混合 体 系塑化 的影 响 平衡时间反映了物料熔化的快慢，即塑化时间的 长短，平衡时间小，表明塑化时间短，容易塑化。平衡 扭矩反映了加工条件下熔融物料表观粘度的大小，即 物料的流动性能u ，这是工业生产过程 中后期表现 出来的流变特性。适宜的平衡扭矩可以减少能耗，同 时还可以保证原料成型后具有一定的强度J。不 同 粒径的竹粉在复合材料中的分散程度不同，一般粒径 小 的竹粉的分散程度较高。从理论上说，在竹粉填充 量相同的情况下，填充粒径小的竹粉的复合材料似乎 应该具有较好的流动性，即平衡扭矩较小，但试验

18、表 明并非如此。目数 图4不同粒径竹粉对平衡扭矩的影响 从表 1 我们看到 4 0目与 2 0 0目竹粉填充 的混合 体系均具有较好的流变性 能，且 与 4 O目竹粉填充 的 混合体系的流变参数 比较分析，2 0 0目竹粉填充的混 合体系具有较低的平衡转矩，并且体系的塑化时间 短，更快趋于混合平衡(4 0目竹粉填充的混合体 系平 衡时间4 6 8 s，2 0 0目竹粉填充的混合体系的平衡时间 只需3 5 3 s)。塑化时间短，不仅可以减少竹粉在密炼 室内因受热时间过长而降解，还可以提高生产效率，尤其是对于复合材料的注射成型及挤出成型方式。林业科技开发2 0 0 9年第 2 3卷第4期 由表 I

19、中的平衡扭矩 与平衡 时间两个参数绘制 成图 4、图 5，从 图中可 以看到：竹粉粒 径从 2 02 0 0 目，竹塑混合物料熔融时的平衡扭矩与平衡时间均随 着竹粉 目数的增加而呈先增大后减小的趋势，但粒径 对物料平衡时间 的影 响不 大。竹粉粒径在 2 01 0 0 目范围内，平衡扭矩随竹粉 目数的增加而递增，增 幅 j 2 2 0 4。竹粉粒径在 1 0 0 2 0 0目范 围内，平衡扭 矩随着竹 粉 目数 的增 加 而急 剧 递 减，下 降 幅度 为 2 4 2 ，并在 2 0 0目时平衡扭矩减小到 1 9 7 N m，此 时竹粉 的分散性最好，即物料的流动性能最佳。由此 可见，竹粉的粒

20、径对复合材料的加工性具有十分重要 的影 响。目数 图5不同粒径竹粉对平衡时间的影响 在不影响竹粉填充塑料 的复合材料力学性能的前提 下，我们应选择 2 0 0目的竹粉更有实 际意义(平衡扭 矩小，塑化时间短)。2 4 竹粉粒径对表观粘度的影响 表观粘度是评价复合材料共混体系流变性能好 坏的重要参数，表观粘度低，说明其体系流动性能好。由竹塑混合物料在转矩流变仪中测试的是扭矩，根据 B r a b e n d e r C W I n e E l 8 给出的公式 见公式(3)和(4)可以计算出混合体系剪切速率和表观粘度值：61 啦用硼究 =2 5r p m(3)r =4 2 5(T o r q u

21、e r p m)(4)式中：为剪切速率；r p m为转速；7 为表观粘度；T o r q u e为扭矩。由公式(3)计算出，竹塑混合体系在转矩流变仪 中的转速为 5 5 r m i n下的剪切速率为 1 3 7 5 S。由表 1的平衡扭矩参 数，根据公式(4)，计算出 竹塑混合体系表观粘度，并绘制出如图 6。从 图 6中 可以看出，竹粉粒径在 2 02 0 0目范围内，当在相同 剪切速率下，共混熔体 的表观粘度随着竹粉粒径的减 小呈现先增大后减小的类抛物线趋势。竹粉粒径为 2 0目时，共混熔体的表观粘度为 1 6 6 9 P a S；随着粒 径减小，到 1 0 0目时，表观粘度 又剧增至2 0

22、 0 9 P a S，增加了 1 6 9 ；随着粒径进一步减小到 2 0 0目时，表 观粘度并不是一直呈现上升趋势，而是陡降至最低点 1 5 2 2 P a S，下降幅度为 2 4 2 ，共混体系的流变性 提高了。这说 明了竹粉粒径对竹塑共混体系 的表观 粘度也有很大的影 响。0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 目数 图6 竹粉粒径对表观粘度的影响 3结论(1)竹塑混合物料在恒定转速与恒定温度 的转 矩流变仪中扭矩随着时间变化呈现先增大后减小，最 后略有 回升的流变行为。(2)在 2 0 2 0 0目竹粉粒径范围内，竹塑混

23、合体 系的最大扭矩、平衡扭矩、平衡时间与竹粉粒径呈现 类抛物线关系，随着竹粉粒径的减小而呈先增大后减 小的趋势，并且粒径在 2 0 4 0目、4 0目及 2 0 0目时，其混合体系的流变性能最佳，且其复合材料的力学性 能较优(另文报道)，且 2 0 0目竹 粉填充塑料 的混合 体系的平衡扭矩最小，且塑化时间较短。在相同的剪 切速率条件下，竹粉粒径对共混体系表观粘度的影响 曲线呈先增加后减小的趋势，并在 1 0 0目时达到最高 值为 2 0 0 9 P a s。62 参考文献 1 赵义平，刘敏江，张环，等 热塑性树脂 植物纤维复合材料的纤维 改性方 法 J 中国塑料，2 0 0 1，1 5(1

24、2)：l 7 一 l 9 2 杨文斌，李坚，刘一星 木塑复合材料表面润湿性研究 J 福建师 范大学学报：自然科学版，2 0 o 5，2 1(3)：l 9 2 1 3 Ya n g We n-b i n，L i J i a n，L i u Yi x i n g S t u d y o n p l a n t fi b e r p l a s t i c c o mp o s i t e s a s t h e s u b s t r a t e o f fl o o r b o a r d J J o u r n a o f F o r e s 时 R e s e a r c h，2 0 0 5

25、，1 6(3)：2 4 52 4 6 4 杨勇 竹纤维增强 P P复合材料的研究 J 塑料，2 0 0 4，3 3(3)：4 7 5 O 5 侯秀英，黄祖泰，杨 文斌，等 植物 纤维在 复合材 料 中的应 用与发 展 J 纤维素科学与技术，2 0 0 5，1 3(4)：5 5 5 8 6 薛平，张 明珠，何亚 东，等 木塑 复合材料 及挤 出成型特 性的研究 J 中国塑料，2 0 0 1，1 5(8)：5 3-6 0 7 刘彩文，吴士军 高聚物流变性能及其测量的研究发展 J 内蒙 古石油 化工，2 0 0 5(2)：5-8 8 L i T Q，Wo l c o t t M P T h e o

26、l o g y o f w o o d p l a s t i c s me l t s，P a r t3：N o n l i n e a r N a t u r e o f t h e F l o w J P o l y m e r E n g S c i，2 0 0 6：1 1 4 1 2 1 9 X i a o K，C o s t as T R h e o l o g ic al p r o p e r t i e s o f H D P E w o o d c o mp o s i t e s J AN T E C，2 0 0 3：9 7 5-9 7 9 l O M a i t i S

27、 N，S u b b a r a o R I b r a h i m M N E ff e c t o f w ood fi ber s O il the r h e o l o g i c a l p ro p e r t i e s o f i P P w o o d fi b e r c o m p o s i t e s J A p p l i e d P o l y me r S c i e nc e，2 0 0 3：6 4 4_ J6 5 0 1 1 Y a n g We n b i n，C h e n E n h u i，L i u Xi a o l i n g T o r q

28、u e r h e o l o g ic al p r o p e r-t ie s o f b a m b oo fl o u r P P c o m p o s i t e s C P r e c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Woo d S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，I AW P S 2 0 08，Ha r b i n，C h i n a，2 0 08 1 2 刘正英，陈俊，殷茜，等 聚乙烯改性材料流变行为研究进展 J 中国塑料，2 0 0

29、 3，1 7(5)：2 4-2 9 1 3 刘同云，王辉 用转矩流变仪评价聚丙烯 E P S 3 0 R的热稳定性 J 合成树脂及塑料，2 0 0 1，1 8(1)：3 6-3 9 1 4 L a w r e n c e EN i e l s e n P o l y m e r t h e o l o gy M N e wY o r k：M a r c e l D e k k e r I n e，1 9 7 7 1 5 P K F r e a k l e y，W Y Wa n I d fi s Vi s u a l i z a t io n o f fl o w d u r i n g th

30、e p r o c e s s-i n g o f r u b b e r i n a n i n t e rnal mi x e r J R u b b e r C h e m i s t r y a n d T e e h n o l o g y，1 9 7 9 5 2(1)：1 3 4-1 4 5 1 6 孙波，罗学刚 木质素 E V A共混体系流变特性研究 J ，塑料，2 0 0 5，3 5(6)：3 3-3 8 1 7 杨伟，史炜，陈萍 玻璃微珠改性 P P和 P EL L D的加工流变行为 J 中国塑料，2 0 0 4，1 8(1 O)：2 4-2 7 1 8 B r a b e n d e r C W I n s t r u m e n t s，I n c u s i n g y o u r p l ast i c o r d e r mi x e r m e asu r i n g h e a d t o d e t e r min e me l t v i s c o s i t y R T e c h n i c a l B u l l e n t i n，1 9 9 7：1 1 5 31 1 5 8 (责任编辑葛华忠)秣业科技开|c 2 0 0 9 年第 2 3 卷第 4 期