木塑复合材料及挤出成型特性的研究.pdf
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1、加工与应用木塑复合材料及挤出成型特性的研究薛 平,张明珠,何亚东,何继敏(北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所,北京100029)摘 要:主要对木塑复合材料的流变性能、挤出成型性能和力学性能的影响因素进行了深入的研究,并对木塑复合材料样品的微观结构、宏观性能和挤出过程进行了分析,从而为这种材料的工业化生产打下良好的基础。关 键 词:木塑复合材料;单螺杆挤出;挤出特性;微观结构中图分类号:TQ321.5 文献标识码:B 文章编号:10019278(2001)08005307 利用木质纤维填料(包括木粉、秸杆、稻壳等)和废旧热塑性塑料为主要原料,外加一些加工助剂,经过高温混炼再经成型加工而制得的复
2、合材料,名为木塑复合材料。它是当代工业基础材料废物利用的最佳科研成果在工业生产上的应用,是一种天然的绿色环保材料。由于全球森林资源日益紧缺,生态环境恶化,该成果是近年来在国外发展较快且经济效益显著的实用型新技术。它可广泛地用于包装、建筑等行业。可制成板材、型材、片材等并具有木材的加工优点。由于挤出成型加工周期短、效率高、成型工艺简单,还可扩大产品的品种和应用领域。因此,采用挤出成型法是较为理想的成型方法。本文将对影响木塑复合材料的挤出成型性能和力学性能的因素进行深入研究。1 实验部分1.1 实验原料HDPE,DMDY-1158,齐鲁石化总公司;PP,4017,天津第二石油化工厂;锯末粉,20-
3、80目,自制;粘结剂,酞酸酯类、硅烷偶联剂、马来酸酐改性聚丙烯(MAN-g-PP)、乙烯-丙烯酸酯(EAA),市售。1.2 实验仪器与设备高速混合机,SHR-50A,张家港市三兴江帆机械厂;压力传感器,PT123,美国DANISCO;烘箱,DF-303-3,北京二龙路第一金属厂;单螺杆挤出机,SJ45/25,哈尔滨塑料机械模具厂;万能拉伸实验机,AG-10A,日本岛津材料试验机;毛细管流变仪,Instron-3211型,英国。收稿日期:200106202 材料实验结果与讨论2.1 流变性能的测试与讨论由于物料在挤出过程中,一般都是在熔融流动状态下进行的,这就要求所加工的物料有恰当的流动性。流动
4、性过小,不利于充模,造成挤出困难;流动性过大,不能形成足够的挤出压力,造成制品的强度缺陷,且也不利于物料在挤出口模时的制品定型1。木塑复合体系在挤出成型过程中,体系的流变特性对加工过程和最终制品的各种性能也都有很大的直接影响,具有相当重要的实际意义。因此应首先来研究一下木塑复合体系的流变性能。滑石粉(40%)纯PP 木粉(40%)图1 木粉、滑石粉填料与纯PP的表观粘度与剪切速率关系曲线2.1.1 木塑体系粘度与其它几种体系粘度的比较为了研究木粉填充后木塑复合体系的流变行为,论文中将其粘度与剪切速率曲线与纯聚丙烯(PP)和滑石粉填充后体系的粘度与剪切速率曲线进行了对比。对比结果见图1。由图可知
5、,用低模量,多孔隙的木粉填充PP所得的复合材料熔体粘度从整体上看要比纯PP的粘度低,而比硬质、光滑的滑石粉填料填充后的粘度低1个数量级左右。且随着剪切速率的增加,所有表观粘度明显下降,并且三者之间的粘度差异也逐渐减少,当剪切速率达到104 s-1,差异基本消失,也就第15卷 第8期中 国 塑 料Vol.15,No.82001年8月CHINA PLASTICSAug.,2001是说在较高的剪切速率下,无论是无机填料还是有机填料,其对PP的流变行为影响不大。以上研究说明了木塑复合体系也属于假塑性流体。2.1.2 温度对粘度的影响不同温度对熔体粘度的影响见图2。复合体系为木粉/PP体系,木粉含量为4
6、0%。160180200图2 木粉含量为40%各种温度下的表观粘度与剪切速率关系曲线由图2可知,随着温度的升高,复合体系的熔体表观粘度大大的降低。在同一剪切速率下,160 的熔体粘度要比200 熔体的粘度高一个数量级。这表明木塑复合体系粘度受温度的影响很显著。从分子运动的角度来看2,粘度与物质流动时分子的内摩擦扩散和取向等因素有关,当温度升高时,分子链段的活动能力增加,体积膨胀,分子间的相互作用力减弱,流动性增加,粘度降低。实验表明木塑复合体系粘度对温度非常敏感,增高温度可以大大降低熔体的粘度,所以在挤出中要非常注意挤出机温度的控制与调节,因为微小的温度波动,就可能导致粘度发生很大的变化,从而
7、影响物料的挤出稳定性。但同时还应考虑到物料的热稳定性,及木质纤维在高温下的分解与炭化。以上研究结果表明木塑复合体系属于假塑性流体,且其粘度要小于纯的塑料和其它无机填料填充后的体系粘度。而这种低粘度对于挤出成型来说是不利的。需要通过调节体系配方和工艺条件,一方面使物料混合均匀,另一方面主要是适当的增加体系挤出时的熔体粘度,从而保证制品的挤出工艺操作和制品质量。2.2 木塑复合材料力学性能的影响因素2.2.1 木粉填充量的影响图3表示木粉/HDPE体系复合材料的拉伸强度和弯曲强度与木粉含量的关系。由图3可知随着木粉填料用量的增加,弯曲强度基本先呈线性增加,而后逐渐地下降。弯曲强度在40份时出现极大
8、值。这是因为木粉作为增强填料有一定的长径比和较高的比强度,从而提高了HDPE的弯曲强度。总的来说,木粉的加入增加了材料的刚性,同时使材料变脆,弯曲强度出现极大值说明木粉用量在一定的范围内起到了增强复合材料的效果。但从拉伸曲线中可以看出,随着填料的增加,拉伸强度明显下降,尤其是填充量从30%增加到40%时,下降的幅度较大。这一方面是因为木塑两相的相容性差,导致界面处粘结不牢。另一方面,随着木粉填充量的增加,木粉聚集现象加剧,颗粒引起的应力集中及产生的缺陷的几率加大所致。这一分析可以在后面的微观电镜图中得以证实。拉伸强度 弯曲强度图3 木粉含量与力学性能的关系2.2.2 木粉粒径的影响木粉的粒径对
9、材料的力学性能的影响见表1。表1 木粉粒径对力学性能的影响(填充量为40%)木粉粒径/目拉伸强度/MPa3019.484023.025522.898022.15HDPE(DMDY115824由表1可知木粉的粒径为40目时,材料的拉伸强度为23.02 MPa,高于30目时的19.48 MPa。这是由于,减小粒径可使木粉在树脂中的分散程度提高,与树脂接触面积增大同时较大的颗粒引起的应力集中及产生缺陷的可能性变小,因而能提高材料的拉伸强度。粒径继续减小(超过40目)以后,对材料的拉伸强度影响不大。这表明木粉的粒径对复合体系的力学性能影响不大。而合适的木粉粒径为40-60目。2.2.3 偶联剂对复合材
10、料力学性能的影响3-5在木粉与塑料直接填充的粒径、填充量对力学性能影响的实验分析基础上,根据木粉含有羟基和烷氧基的结构特点,研究中选用了几种表面处理剂对木粉加以活化处理,以找出可改善和提高木粉在塑料中的分散性,以及提高木粉填充量的方法,从而达到更多地降低复合材料的成本之目的。如前所述,填料用量提高时材料的弯曲强度和拉伸强度下降,这一方面与加工流程有关系,加工流程的 54木塑复合材料及挤出成型特性的研究影响主要表现在对木质纤维原本优良性能的利用程度的大小,以及其均匀分散和分布的影响上。另一方面,复合材料的强度还受到木粉与树脂基体之间的界面形成的良好程度的影响。由于两者的相容性很差,两相间的界面粘
11、结力小,复合材料性能差。为改善其力学性能和工艺性能,通常需要对木粉和塑料的表面进行改性,使之产生完善的结合界面,使木粉表现出对材料的增强作用。在研究中发现,不同的基体树脂,偶联剂对其作用的效果也不同。本文对PP,HDPE体系中偶联剂的种类及用量对改性塑料性能的影响进行了详细的研究。2.2.3.1 偶联剂对木粉改性PP的影响图4和图5列出了不同木粉含量下,三种偶联剂对木粉填充PP性能的影响。MAN-g-PP处理 A-171处理 酞酸酯处理 未处理图4 偶联剂的种类对木粉/PP材料拉伸强度的影响MAN-g-PP处理 A-171处理 酞酸酯处理 未处理图5 偶联剂的种类对复合材料弯曲强度的影响由图4
12、、图5可知,未加入偶联剂时,无论是复合材料的弯曲强度还是拉伸强度,都随着木粉含量的增加急剧下降,此时的材料强度很差。酞酸酯处理的体系,随着木粉含量的增加,虽好于未处理的材料的强度,但无益于材料强度的提高。A-171和MAH-g-PP在木粉含量为30%时使材料的拉伸强度达到最大值。但MAH-g-PP对木粉/PP复合材料的拉伸强度和弯曲强度的作用效果更为明显。它能使材料在木粉含量较高的情况下,拉伸强度下降得不多。这说明MAH-g-PP能有效地改善PP和木粉之间的相容性,使之产生较好的界面结合。因为MAH-g-PP一端含有酐基,能够与木粉中纤维素的羟基发生酯化反应,减少纤维素中的活性羟基,降低木粉的
13、极性。同时MAH-g-PP另一端是长的大分子链与PP基体有良好的相容性,通过其与PP的缠结作用使木粉与PP基体有着很强的界面结合,从而在两者之间形成一定厚度的界面层。当材料受到外力作用时,能使应力从基体树脂传递到填料上,因而提高了复合体系的强度。从图中可以看出,对于木粉/PP体系来说,无论是对弯曲强度的提高,还是拉伸强度的改善,MAH-g-PP都优于其他种类的偶联剂。所以说MAH-g-PP是该体系优良的偶联剂。2.2.3.2 偶联剂对木粉改性HDPE的影响从以上研究中发现MAH-g-PP能明显地改善木粉/PP复合材料体系的性能,研究中曾尝试着用它来改善木粉/HDPE体系,但结果表明它的作用效果
14、不是很显著。而乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)则对木粉/LDPE复合材料有着良好的增容作用。图6、图7分别表示了各种偶联剂对木粉/HDPE复合体系拉伸和弯曲强度的作用效果。MAN-g-PP处理 A-171处理EAA处理 未处理图6 偶联剂的种类对木粉/HDPE复合材料拉伸强度的影响MAN-g-PP处理 A-171处理EAA处理 未处理图7 偶联剂的种类对木粉/HDPE复合材料弯曲强度的影响从图中可看出,EAA对复合材料的拉伸强度有最好的改性效果,即使木粉含量达到60%时,材料的拉伸强度也接近纯的树脂。说明EAA使界面粘结力的2001年8月中 国 塑 料55 提高最显著。这说明EAA对木粉/HDPE
15、复合材料体系有一定的增容作用。因为从EAA的分子结构上看,EAA上的AA段上有羧基,可与纤维素分子上的羟基形成酯;而EAA本身又与HDPE有一定的相容性。因此,EAA的加入能够改善HDPE与木粉的相界面粘结力,从而提高其力学性能,起到增容的作用。而MAN-g-PP的作用效果却明显不如EAA。因此,EAA是木粉/HDPE复合材料理想的相容剂。EAA对弯曲强度的作用从图上可以看出弯曲强度是逐渐下降的。即EAA对体系起到增强作用的同时也降低了复合材料的韧性。2.2.4 偶联剂的用量对力学性能的影响以往有人认为起增容作用的偶联剂的用量越多,界面的粘结性越好,材料的性能也越好。为此进行了实验。在实验中选
16、用了MAN-g-PP为木粉/PP体系的增容剂。实验结果见图8。由图8可知未加入MAN-g-PP时复合材料的拉伸强度和弯曲强度都较低。随着MAN-g-PP的加入,材料的力学性能逐步提高。当MAN-g-PP的用量为5%时,材料的力学性能均达到最高值。而当MAH-g-PP的用量进一步增加时材料的各项指标逐渐下降,最后趋于平缓。这说明偶联剂的用量与体系的相容性并非成正比关系,而是与偶联剂在木粉颗粒表面的覆盖程度有关。如果偶联剂用量太少,会因为填料表面的包敷不完全,难以形成良好的偶联分子层,起不到理想的偶联效果和增容作用。用量太多,则偶联剂过剩,在木粉表面会覆盖过多的偶联剂分子,形成多分子层,易造成填料
17、与树脂之间界面结构的不均匀性,且偶联剂中未反应的其他基团也会产生不良作用,从而降低复合材料的力学性能。弯曲强度 拉伸强度图8 偶联剂的用量与弯曲强度和拉伸强度的关系当偶联剂的用量为5%时,材料的拉伸强度和弯曲强度最好。这说明PP与木粉的相间界面粘结力好,相容性好。当偶联剂的用量增加时,材料的性能反而下降。因此偶联剂的用量不能太大。否则,既影响性能,同时又造成不必要的浪费。由2.2.3.2节可知,对于木粉/HDPE复合体系,MAH-g-PP的作用效果并不明显,而EAA能有效的改善复合材料的拉伸强度,但在强度提高的同时,材料的断裂伸长率反而下降了,即材料的韧性下降。图9表示了EAA的用量与木粉改性
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- 复合材料 挤出 成型 特性 研究
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