注塑级环保竹粉/聚丙烯复合材料的性能研究

耿 伟,刘 煜,王浩江,王 斌,杨育农

(广州合成材料研究院有限公司,广东广州,510665)

注塑级环保竹粉/聚丙烯复合材料的性能研究

耿 伟,刘 煜,王浩江,王 斌,杨育农

(广州合成材料研究院有限公司,广东广州,510665)

选用纤维强度较高的竹粉做原料,通过对纤维预处理以及对改性技术进行研究,并使用聚烯烃的接枝改性物作为界面相容剂来制备木塑复合材料。结果表明,经过界面增容和添加功能助剂,可在较低温度下进行竹粉/聚丙烯复合材料的生产,同时复合材料的流动性能够满足注塑工艺的要求。在三种聚烯烃接枝改性物中,聚丙烯接枝马来酸酐对复合材料竹粉/聚丙烯界面相容性的总体改善效果优于乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐和聚乙烯接枝马来酸酐,在竹粉用量为 40% (质量分数)时,复合材料的综合力学性能较优且具有浓郁的木香味。

注塑;竹粉;聚丙烯;复合材料

近年来,利用木材废弃物作为热塑性塑料的填料或增强材料制造木塑复合材料 (wood-plastics composites,缩写为 W PC)逐渐引起人们的重视。木塑复合材料产品充分体现了可再生资源的有效利用与石油产品的循环利用,它的兴起对于缓解当前木材与石油资源紧缺、废弃物回收利用困难和环境污染严重等亟待解决问题,具有十分重要的意义[1]。

通常,木塑复合材料中植物纤维的添加量大于40%,并且植物纤维和热塑性树脂的相容性较差,这使得木塑复合材料熔体的流动性变差,导致木塑复合材料的加工性能和制品的综合性能变差[2]。此外植物纤维在 200℃就开始炭化分解,这就要求木塑复合材料的成型加工温度要低于 200℃[3]。目前市场上的木塑复合材料大多数是采用挤出成型的加工方法,而对于形状复杂的产品就不适用。注塑成型可以得到复杂形状的制品,但要求木塑复合材料熔体的流动性好;注塑成型的加工温度要高于挤出成型的加工温度,这还要求木塑复合材料可耐高温加工,以上两点限制了木塑复合材料的注塑成型[4]。

本实验选用纤维强度较高的竹粉纤维做原料,通过对纤维预处理以及改性技术进行研究,并使用不同的聚烯烃的接枝改性物作为木塑复合材料界面的相容剂,研究了不同的界面相容剂对复合材料的综合性能的影响。

1 材料和方法

1.1 实验材料

竹粉,100目,市售;聚丙烯 EPC30R-H,茂名石化;聚丙烯接枝马来酸酐 (PP-g-MAH)和乙烯-辛烯共聚物 (POE)接枝马来酸酐 (POE-g-MAH),市售;聚乙烯接枝马来酸酐 (PE-g-MAH),自制;抗氧剂 168和抗氧剂 1010,市售;硅烷偶联剂,市售;硬脂酸钙,市售。

1.2 主要设备和仪器

HT-30平行同向双螺杆挤出机,南京橡塑机械厂;BT80V-Ⅰ注塑机,广州博创机械有限公司;熔融指数仪,承德德盛试验机有限公司;XLD-液晶电子拉力试验机,承德市金建检测仪器有限公司;XJU-5.5悬臂梁冲击试验机,承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 竹粉/聚丙烯复合材料的制备

将 40份 (复合材料总质量记为 100份)的竹粉进行干燥、硅烷偶联剂表面改性等前处理,然后同聚丙烯 EPC30R-H、界面相容剂和其他各种助剂在高速搅拌机中混合均匀,在 140℃-165℃的温度下经过双螺杆挤出机共混造粒,再利用注塑机在160℃的温度下制备标准试样进行测试。主要工艺流程图如下:

1.4 性能测试

在温度为 230℃,负荷为 2.16kg的条件下,使用熔融指数仪测试复合材料的熔体流动速率。

在拉伸速率为 20mm/m in的条件下,使用电子拉力试验机测试材料的拉伸性能。

在速率为 2mm/m in,挠度为 6mm的条件下,测试材料的弯曲强度。

选用 2.75J的摆锤,测试材料的悬臂梁缺口冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 流动性能

表 1给出了纯聚丙烯基体和添加了不同相容剂的竹粉/聚丙烯复合材料的熔体流动速率测试结果。

表 1 纯聚丙烯和竹粉/聚丙烯复合材料的熔体流动速率Table 1 The melt flow rate of polypropylene and bamboo flour/polypropylene composites

由表 1可知,添加了竹粉后复合材料的流动性比聚丙烯基体的流动性有不同程度的降低。但是,在经过相同条件下用硅烷偶联剂处理竹粉之后,添加了 PP-g-MAH来作为界面相容剂的复合材料的流动性降低最少,这是因为这种相容剂的流动性好并且非极性一端与基体的相容性最好,在熔融状态时,能很好地将外力传递给填料,带动填料和基体一起运动[5]。作为弹性体的 POE-g-MAH加入到复合材料中后,也有较好的界面相容性,但是不如PP-g-MAH好,因此流动性也就略微差。而自制的PE-g-MAH由于自身交联度较大流动性差,虽然有较好的界面相容性,但不能很好地传递应力,也就不能带动填料和基体一起运动,因而材料的流动性最差。

虽然使用不同的界面相容剂对复合材料的流动性有较大影响,但上述三种复合材料的流动性都能满足注塑工艺的要求。

2.2 力学性能

表 2给出了纯聚丙烯基体和添加了不同相容剂的竹粉/聚丙烯复合材料的力学性能测试结果。

表 2 纯聚丙烯和竹粉/聚丙烯复合材料的力学性能Table 2 The mechanical properties of polypropylene and bamboo flour/polypropylene composites

由表 2可以看出,大量竹粉纤维的加入使得材料的断裂伸长率大幅下降,冲击性能也有所下降。对于竹粉/聚丙烯/PP-g-MAH复合材料,由于 PP-g-MAH相容剂的存在,材料在受到外力作用时,应力能够很好地传递,从而吸收大量能量,使得复合材料的冲击性能相对于基体有较大程度的保持率[6]。随着 POE-g-MAH和 PE-g-MAH作为相容剂的效用递减,其对应复合材料的冲击强度也逐渐下降。此外,三种复合材料的拉伸强度和弯曲强度相对于聚丙烯基体都有明显的增加,这是因为竹粉纤维均匀地分散在复合材料中并且各向同性,对材料起到了很好的增强作用。

3 结论

(1)PP-g-MAH对复合材料竹粉/聚丙烯界面相容性的总体改善效果优于 POE-g-MAH和 PE-g-MAH;以 PP-g-MAH为界面相容剂时,竹粉/聚丙烯复合材料的综合力学性能较优。

(2)经过界面增容和添加功能助剂,能够在较低温度下进行竹粉/聚丙烯复合材料的生产。

(3)复合材料的流动性相对聚丙烯基体有不同程度的降低。但是,具有良好界面相容性的相容剂的存在使复合材料的流动性能够满足注塑工艺的要求。

(4)竹粉用量在 40%时,复合材料的综合力学性能较好且具有浓郁的木香味,是木材的理想替代品。

[1]王少龙,周荣,蒋业华.木塑复合材料的研究进展[J].材料导报,2005,19(1):68-70.

[2]刘涛,何慧,洪浩群,贾德民.木塑复合材料研究进展 [J].绝缘材料,2008,41(2): 38-41.

[3]Jochen Gassan,Andrzej K Bledzki.Thermal Degradation of Flax and Jute Fibers[J].Journal of Applied Polymer Science,2001,82:1417-1422.

[4]王超,何继敏.木塑复合材料注射成型的研究进展 [J].工程塑料应用,2008,36(6): 81-84.

[5]李自强.木塑复合材料制备及性能研究[D].济南:山东大学化学与化工学院,2009, 1-53.

[6]刘文鹏,姚姗姗,陈晓丽,等.影响聚丙烯基木塑复合材料力学性能因素 [J].现代塑料加工应用,2006,18(2):19-22.

Study on Proper ties of Injection Molding Bamboo Flour/Polypropylene Composites

GENG Wei,LIU Yu,WANG Hao-jiang,WANGB in,YANG Yu-nong
(Guangzhou Research Institute of Synthetic Materials,Guangzhou 510665,Guangdong,China)

In this paper, bamboo flour with high fiber strength, polyp ropylene and grafting modifier of polyolefin were used to prepare bamboo flour/polypropylene composites. And, the fiber pretreatment and modification technology were also studied. The results showed that bamboo flour /polypropylene composites using interfacial compatibilizer and functional additives had can been produced at lower temperatures and injection molding. Overall, interfacial compatibility of the composites using PP-g-MAH as compatibilizer was imp roved more than using POE-g-MAH and PE-g-MAH. The comprehensive mechanical properties of bamboo flour /polypropylene composites were favorable when bamboo flour content was 40% (mass fraction).

injection;bamboo flour;polypropylene;composites

TQ 325.1+4

2010-12-06