聚烯烃/天然纤维复合材料的研究

2011-11-18李学锋闫晗胡波

湖北农业科学 2011年16期

李学锋闫晗胡波

摘要：利用经过预处理的木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣与高密度聚乙烯、聚丙烯制备了聚烯烃／天然纤维复合材料，并研究了其力学性能、热变形温度与相态结构。结果表明，木粉复合材料力学性能最高，甘蔗渣复合材料次之，稻草复合材料和稻糠复合材料稍差；显微成像表明经合适预处理的纤维在树脂中分布均匀。该法制备的新型复合材料是应用天然纤维的一种有效方法。

关键词：天然纤维；聚烯烃；预处理；性能

中图分类号：ＴＱ３２５．１４；ＴＱ３２７．８文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０11）16－3375-03

ＳｔｕｄｙｏｎＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙｏｌｅｆｉｎ／ＮａｔｕｒａｌＦｉｂｅｒＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＬＩＸｕｅ－ｆｅｎｇａ，ＹＡＮＨａｎｂ，ＨＵＢｏａ

（ａ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｂ．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＢｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｗｕｈａｎ４３００６８，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ／ｎａｔｕｒａｌｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｕｓｅｏｆｗｏｏｄｆｌｏｕｒ，ｒｉｃｅｂｒａｎ，ｓｔｒａｗａｎｄｂａｇａｓｓｅ by pretreatment ｗｉｔｈＨＤＰＥａｎｄＰＰ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｗｏｏｄｆｌｏｕｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｈａd ｔｈｅｂｅｓｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｂａｇａｓｓｅ，ａｎｄｓｔｒａｗａｎｄｒｉｃｅｂｒａｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｓｌｉｇｈｔｌｙｌｅｓｓ．Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙｔｅｓｔｓｉｎｄｉｃａｔｅd ｔｈａｔｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｉｂｅｒｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｕｎｉｆｏｒｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔed ｂｙａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｈｅｎｏｖｅｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ was an ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｍｅｔｈｏｄｔｏｕｓｅｎａｔｕｒａｌｆｉｂｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｔｕｒａｌｆｉｂｅｒ；ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ；ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

天然纤维复合塑料主要是由纖维素材料（包括木粉、竹粉、稻糠、稻草、麦草、棉花秸秆、甘蔗渣、麻秆、玉米秸秆等）和树脂复合而成，一般天然纤维由纤维素、半纤维素和木质素3类物质组成，其中纤维素可占一半以上。该复合材料具有显著的优点：相对密度比玻璃纤维小，加工能耗低，对设备磨损小；资源丰富，节约木材，节能环保。目前用天然纤维填充的塑料制品已应用在建材、家具、包装材料、装饰材料等领域，特别是近年来从防治病虫害传播角度考虑，减少了用木材作为包装材料，而使用天然纤维填充制成的复合塑料制品，其市场越来越大。同时人们对不同的天然纤维填充塑料的结构与性能的研究也产生了很大的兴趣［１－４］。我国生物质原料很丰富，仅农作物秸秆（包括玉米秸秆、小麦秸秆和稻草等）每年高达７亿ｔ。只有其中一小部分秸秆被用作饲料、造纸等用途，还普遍存在着原料利用率低的问题。每年约有２亿ｔ秸秆被就地焚烧，造成了巨大的资源浪费和严重的环境污染［５，６］。因此这里分别使用４种不同的天然纤维（木粉、稻糠、稻草及甘蔗渣）与高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）复合做成聚烯烃／天然纤维复合材料样品，进行性能测试，以期发现其规律，指导该类复合材料的生产。

１材料与方法

１．１材料

１．１．１材料与试剂ＰＰ（ＰＰＫ８３０３）、ＨＤＰＥ（６１００Ｍ），北京燕山石化公司；天然纤维，采自农业废弃物；超细滑石粉，８００目滑石粉，辽宁海城市合成微细石粉厂；乙醇，化学纯，河南大学化工厂；氢氧化钠，分析纯，武汉市江北化学试剂有限责任公司；硅烷（ＫＨ５７０、ＫＨ５６０、ＫＨ５５０等），武汉华昌有机硅有限公司。

１．１．２仪器与设备ＳＸＫ－１６０Ｂ×３３０型开放式炼胶机，福建永春轻工机械厂；ＺＨＹ－Ｗ型万能制样机，ＸＣＪ－４型简支梁冲击试验机，河北承德材料试验机厂；ＳＬ－４５型压力成型机，上海第一橡胶机械厂；ＱＬＢ－３５０×３５０×２型平板硫化机，江苏无锡第一橡塑机械设备厂；ＸＬ－１００Ａ型拉力试验机，广州实验仪器厂；ＣＳ１０１－２型电热鼓风干燥箱，重庆四达实验仪器有限公司；ＸＪＺ－６型正置式金相显微镜，南京仪器厂。

１．２方法

1.2.1工艺流程复合材料制样工艺流程如下。

天然纤维预处理→配料→高速混料→混炼→压片→制样→性能测试

１．２．2天然纤维的预处理将天然纤维置于１４０ ℃下连续烘干３ｈ，以除去天然纤维中易挥发、易分解的组分，使天然纤维软化分离；用合适浓度的ＮａＯＨ溶液浸泡蔗渣４０ｈ，搅拌揉搓用去离子水冲洗干净，干燥，磨碎天然纤维过１００目筛。取用乙醇稀释适量的硅烷复合偶联剂，与未经过表面处理的天然纤维高速搅拌均匀，置于１００ ℃烘箱中干燥３ｈ，即为预处理的改性天然纤维。其流程如下。

纤维→烘干磨碎→碱泡→揉搓水洗→表面偶联→改性纤维

１．２．3复合材料的制备取１００份树脂ＰＰ或HDＰＥ分别与适量预处理的天然纤维混合均匀，加入５份滑石粉，高速混合５ｍｉｎ，出料待用。在双辊开炼机上混合约１０ｍｉｎ，温度１８５ ℃。在平板硫化机上热压成型，热压温度１９０ ℃，预热时间３ｍｉｎ，加压时间 4 ｍｉｎ，压力１０ＭＰａ，冷压５ｍｉｎ，最后按相应国家标准制备各项性能测试样条。

１．２．4性能测试拉伸性能按ＧＢ／Ｔ１６４２１－１９９６测试，试验速度为５０ｍｍ／ｍｉｎ。抗冲击性能按ＧＢ／Ｔ１０４３－１９９３测试简支梁缺口冲击强度，低温样条置于－１５ ℃下冷冻４８ｈ，取出后马上测试。弯曲性能按ＧＢ／Ｔ９３４１－２０００测试，试验速度为２ｍｍ／ｍｉｎ。热变形温度按ＧＢ／Ｔ１６３４－１９７９测试，升温速率为

３ ℃／ｍｉｎ。

１．２．5形态分析将试样切片通过金相显微镜做相差观察，镜头放大倍数均为２００倍。

２结果与分析

２．１性能分析

天然纤维材料中纤维素含量越高，利用价值越大。但是木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣这几种组分中，纤维素、半纤维素、木质素在生长过程中是紧密交织、镶嵌在一起的。因此，若要加以利用，发挥天然纤维的复合效果，首先要进行预处理。利用机械及化学作用把植物的组织部分打碎和分解，将纤维素、半纤维素、木质素这三大组分尽可能多地同时利用，保证绝大多数资源不被浪费，同时还应减少废水排出，降低对环境的污染。此外，稻糠和稻草表皮还富集大量的ＳｉＯ２，不利于复合材料的成型，也应除去。纤维揉搓是尽可能地利用物理方法进行搓揉加工，梳理出长短、粗细不同的纤维，提高长径比，通过该方法处理可以将该类天然纤维制成长度控制在１ｍｍ以内、长径比超过５的有机纤维。

纤维素的主要成分是高分子葡聚糖，天然纤维表面存在大量的羟基，羟基具有强亲水性，而常用的高分子树脂一般均为亲油性。因此要提高天然纤维与树脂基体的表面相互作用，必须采用改性的方法。也就是封闭天然纤维表面的羟基，将其从亲水性改为亲油性，做到与树脂的相容。

４种不同的ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料的物理机械性能及热变形温度相近（表１）。其中采用稻草纤维和稻糠纤维制备的复合材料的力学性能稍低，这可能与两种天然纤维中纤维素含量稍低，同时其纤维的长径比也较低、刚性小有关；采用这两种纤维所得的复合材料的冲击韧性均在４～6 ｋＪ／ｍ２，拉伸强度１８～２7 ＭＰａ，其中以木粉复合材料力学性能最高，甘蔗渣复合材料次之，稻草和稻糠复合材料稍差。４种ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料的热变形温度均有显著的提高，并且以稻糠复合材料提高得最为显著，较稻草纤维高出6.5 ℃。

４种不同的ＰＰ／天然纤维复合材料的物理机械性能及热变形温度也较相近（表２），且其变化趋势与ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料相似。ＰＰ基复合材料与ＨＤＰＥ基复合材料都具备密度低、拉伸强度高、弯曲强度大、力学性能好的特点，是以塑代木的良好备选材料。但是ＨＤＰＥ基复合材料热变形温度在１００ ℃左右，对耐热环境应用不利，而ＰＰ基复合材料热变形温度高于１２５ ℃，能适用于室内外绝大多数环境。ＨＤＰＥ基复合材料比较柔软，室温及低温冲击强度均较ＰＰ基复合材料大，作为代木材料使用时适用于易受冲击的环境。

２．２相差分析

由图１中的相差照片可以看出，在４种不同的ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料中，纤维形态都保留良好，表面的纤维和树脂分布较均匀，这说明表面改性剂的存在，有利于纖维与基础树脂之间的充分浸润粘合，增强了天然纤维与基础树脂之间的黏结性，从而提高了材料的力学性能。天然纤维改性以后，界面黏结性得到了提高，改善了天然纤维在树脂基体中的分散状态［７，８］。同时，纤维的长径比较大，互相容易缠绕，这种分散结构也有利于应力在复合材料中的传递。

还可以在图１ａ中发现复合材料中分散的稻草纤维较其他几种纤维稍粗大且直径不太均匀，图１ｃ中发现分散的稻糠纤维较其他几种纤维的长径比稍小。这种不均匀性可能是这两类天然纤维复合材料的力学性能稍低于木粉纤维的一个原因。

３结论

采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣４种不同的天然纤维先进行预处理，再与ＨＤＰＥ、ＰＰ复合的方法，成功地制备出聚烯烃／天然纤维复合材料。

４种不同的ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料的物理机械性能及热变形温度相近，以木粉填充复合材料力学性能最高，甘蔗渣填充复合材料次之，稻草纤维和稻糠纤维稍差，而稻糠纤维复合材料具备最高的热变形温度。ＰＰ／天然纤维复合材料与ＨＤＰＥ／天然纤维复合材料有相似的变化规律。

通过相差分析发现，在天然纤维制备的复合材料中，纤维和树脂分布均匀，这表明表面改性剂的存在，有利于纤维与基础树脂之间的充分浸润粘合。而稻糠纤维与稻草纤维的质量稍次于木粉纤维与甘蔗渣纤维。

参考文献：

［１］史兴华．木塑复合材料的市场发展［Ｊ］．玻璃钢，２００９（２）：３６－３８．

［２］肖亚航，傅敏士．ＰＰ／秸秆复合材料的热压成型工艺研究［Ｊ］．工程塑料应用，２００５，３３（１）：３４－３７．

［３］张正红，赵晓亚．聚氯乙烯木塑复合材料加速老化性能的研究［Ｊ］．塑料科技，２００９，３７（３）：５６－５８．

［４］焦富强．天然植物纤维填充热塑性塑料的研究概况［Ｊ］．现代农业科学，２００９（６）：２４９－２５０．

［５］陈洪章．秸秆资源生态高值化理论与应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６．５－１７．

［６］李延云．农作物秸秆饲料加工技术［Ｍ］．北京：中国轻工业出版社，２００６．３０－４４．