废弃天然纤维增强高密度聚乙烯复合材料性能研究

龙洪生，薛 平，丁 筠，刘新阳

（北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所，北京100029）

0 前言

纤维增强聚合物基复合材料具有强度高、模量大、质量轻的优点，被广泛应用于航天业、汽车工业、建筑业等各种场合。传统的结构用纤维增强复合材料使用的纤维主要为碳纤维、玻璃纤维等。但是，碳纤维、玻璃纤维生产过程伴随较大的环境污染和资源消耗，且价格昂贵、回收困难。在循环经济、可持续发展的政策引导下，环境、资源及能源的保护研究与技术开发的要求越来越强烈，现有制品的循环再利用、新的天然可再生资源的开发与研究显得越来越重要［1］。

中国是世界产竹大国，竹浆纤维原料已经在纸品加工和纺织加工中得到广泛的应用［2］。在造纸加工过程中，会产生大量的竹材剩余物，如竹屑等。传统处理方式是生产动物喂养饲料、人造板、菌类培养料或焚烧等，其中一些方法会对环境造成二次污染，并且普遍经济效益较低。同时我国天然麻纤维的产量居世界前列，苎麻纺织业也是一个优势产业，在苎麻纤维纺织过程中，每生产1t纱线将有约1.22t落麻产生，这些大量堆积的原料加工剩余物迫切需要解决循环利用问题。因此利用废弃天然纤维与热塑性塑料生产复合材料，有助于实现变废为宝，追求资源经济价值最大化［3］。

本文利用废弃苎麻落麻纤维和竹屑纤维，采用双螺杆熔融挤出工艺制备天然纤维增强PE－HD 复合材料，并注射成型标准测试样条，评价2种天然纤维增强PE－HD 复合材料的性能，为企业如何实现废弃天然纤维材料综合利用和工业化回收提供借鉴和参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE－HD，挤出 级，熔体流动 速率0.8g／10 min，市售；

马来酸酐接枝聚丙烯，CMG9801，上海日之升新技术发展有限公司；

硅烷偶联剂，KH550，市售；

苎麻落麻纤维，纺织废弃纤维，湖北嘉鱼富仕纺有限公司；

竹屑纤维，平均粒径250μm，贵州赤天化纸业股份有限责任公司。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机，SHR－25A，张家港三兴江帆机械厂；

双螺杆挤出机，KS20，昆山科信橡塑机械厂；

注射成型机，TT1－90F2，东华机械有限公司；

烘箱，LH401BA，天津市华北实验仪器有限公司；

万能力学试验机，XWW－20，承德市金建检测仪器有限公司；

光学显微镜，JTVMS－1510T，上海皆准仪器设备有限公司；

扫描电子显微镜（SEM），S－4700，日本HITACHI公司。

1.3 样品制备

2种天然纤维分别先用纤维质量含量1%的KH－550硅烷偶联剂在高速搅拌状态下处理，随后将表面处理过的天然纤维在120 ℃烘箱中烘干1.5h，然后将处理好的2种废弃天然纤维与PE－HD 树脂在高速混合机中按不同比例混合后，加入双螺杆挤出机中造粒，从加料口到出口，机筒温度分别为160、165、170、175、165 ℃，再将所得粒料充分干燥后用注塑机中在同样工艺条件下制备样条；在研究纤维含量对复合材料影响的实验中，苎麻落麻纤维和竹屑纤维含量分别为0、5%、10%、15%和20%，马来酸酐接枝聚丙烯含量固定为10%。

1.4 性能测试与结构表征

光学显微镜分析：将平均粒径250μm 的竹屑纤维和苎麻落麻纤维分别加以整理，均匀放置在载玻片上，盖上盖玻片，置于数码光学显微镜的载物台，在15 倍物镜和4倍目镜下拍照；

熔体流动速率按照GB／T 3682—2000测试，温度为190 ℃，负荷为2.16kg；

拉伸性能按照GB／T 1040—2006进行测定，拉伸速率为20mm／min；

弯曲性能按照GB／T 9341—2000进行测定，弯曲速率为10mm／min；

SEM 分析：试样断面用液氮脆断并真空喷金处理后用SEM 观察拍照。

2 结果与讨论

讨论纤维含量、纤维形态对苎麻落麻纤维和竹屑纤维增强PE－HD 复合材料流动性和力学性能（拉伸性能和弯曲性能）的影响以及微观断面形貌的分析。

2.1 原料形貌分析

由图1 可知，竹屑纤维呈短而粗，且截面不规则，长径比小；苎麻落麻纤维呈细长形，长径比大，纤维不易分散，多团聚杂乱分布。竹屑纤维长径比小于苎麻纤维，易于在树脂基体中分散，但是其长度远小于麻纤维，因此可能会降低对树脂的增强效果。

图1 竹屑纤维和苎麻落麻纤维的光学显微镜照片（×60）Fig.1 Optical micrographs of bamboo residue and ramie noil fiber（×60）

2.2 熔体流动速率

一般常用熔体流动速率来表示材料的加工流动特性。影响复合材料流动性的因素主要有以下几个方面：（1）随纤维含量的增加，基体树脂的含量相对减少，而且纤维之间相互缠绕现象也随纤维含量的提高而加剧，使复合材料的流动性下降；（2）纤维越细，熔体的流动性越好［4］。因此复合材料的熔流动速率出现迅速下降的趋势（图2）。由于苎麻落麻纤维相对竹屑较细，所以PE－HD／苎麻落麻纤维熔体的流动性要高于PEHD／竹屑纤维。

2.3 拉伸性能

图2 不同纤维含量复合材料的熔体流动速率Fig.2 Influence of fiber content on the melt index of the composite

图3 纤维含量对复合材料拉伸强度的影响Fig.3 Influence of fiber content on the tensile strength of the composite

由图3可知，复合材料拉伸强度总的变化趋势为，随纤维含量升高，先升高而后趋于稳定。但是，苎麻落麻纤维含量低于10%时，复合材料的拉伸强度反而低于PE－HD，起不到增强的作用。这是由于所使用增强体为废弃回收天然纤维，纤维相互缠绕。当纤维／树脂质量比较小，纤维不能达到理想分散状态，在材料内部易产生缺乏纤维的区域，尤其容易在纤维缠结处形成应力集中，降低复合材料的力学强度［5］。当纤维／树脂质量比提高到一定程度，纤维容易贯穿整个材料，就可以一定程度上克服上述缺陷。若天然纤维过多，复合材料的强度也较差。这是因为随着纤维含量的增加，复合材料流动性较差，成型过程中对纤维造成很大的机械损伤，且过多纤维会缠绕或堆积，基体树脂难以渗透，使得复合材料的组成局部不均匀，形成缺陷，导致复合材料的强度降低。

比较2 种纤维的增强效果，虽然纤维含量低于15%时，PE－HD／竹屑纤维的拉伸强度高于PE－HD／苎麻落麻纤维，但是，继续增加纤维含量，竹屑纤维复合材料拉伸强度趋于稳定，当纤维含量为15%时，拉伸强度达到最大值，提高了11%；而PE－HD／苎麻落麻纤维的拉伸强度继续显著提高，当纤维含量为20%时，拉伸强度提高了21%，且有可能继续上升。2种纤维复合材料拉伸性能表现不同，取决于多种因素，如不同纤维尺寸、纤维强度以及纤维与基体的相容性等。总体来说，PE－HD／苎麻落麻纤维的拉伸性能优于PEHD／竹屑纤维复合材料。

由图4可看出，随着纤维含量的增加，断裂伸长率总的趋势逐渐减小。这是因为，纤维的加入，阻碍了拉伸过程中聚合物分子链的取向变形。值得注意的是，当纤维含量为5%时，PE－HD／苎麻落麻纤维断裂伸长率达到最大值58%，比纯PE－HD 提高41%。同时从图4还可看出，当加入同等含量纤维时，PE－HD／苎麻落麻纤维的断裂伸长率都高于PE－HD 竹屑纤维。

图4 纤维含量对复合材料断裂伸长率的影响Fig.4 Influence of fiber content on the elongation at break of the composite

2.4 弯曲性能

图5 纤维含量对复合材料弯曲强度的影响Fig.5 Influence of fiber content on the flexural strength of the composite

由图5可知，随纤维含量的提高，复合材料弯曲强度都有所提高。虽然废弃纤维长度尺寸分布较宽，但是天然纤维具有较高的比强度和比模量，以及一定的长径比，具有增强效果。通过分析比较可知，竹屑纤维含量为15%时，弯曲强度达到最高，相对PE－HD 提高29.8%，继续增加竹屑纤维，竹屑纤维复合材料弯曲强度略有下降。而苎麻落麻纤维含量为20%时，弯曲强度提高41.9%，按曲线的发展趋势，苎麻落麻纤维复合材料的弯曲强度还有可能继续增加。

由图6可知，当纤维含量低于10%时，复合材料的弯曲模量比基体PE－HD 略低；高于10%后，纤维对PE－HD 的弯曲模量具有一定增强效果，当纤维含量为15%时，2 种纤维复合材料弯曲模量都达到最大值，PE－HD／苎麻落麻纤维弯曲模量比PE－HD提高了48%，而PE－HD／竹屑纤维的弯曲模量却只提高8%。所以，苎麻落麻纤维提高弯曲模量的效果更为明显。

图6 纤维含量对复合材料弯曲模量的影响Fig.6 Influence of fiber content on the flexural modulus of the composite

2.5 微观形貌分析

为了研究2种纤维增强PE－HD 的微观形态结构，分别对含量为5%和20%的2种天然纤维复合材料试样进行SEM 观察，结果如图7所示。

从图7（a）可以看出：竹屑纤维与基体之间的界面清晰，断面多有竹屑纤维拔出后的空腔，且拔出的竹屑纤维表面光滑无PE－HD 包裹，说明界面黏结效果差，但竹屑纤维分散、分部较均匀。从图7（b）可以看出：苎麻纤维拔出现象相对较少，多为纤维断裂和纤维与基体撕裂，但纤维间相互缠绕，分部不均，影响试样力学性能。所以，当纤维含量为5%时，可观察到苎麻落麻纤维复合材料的力学性能低于竹屑复合材料。从图7（c）可观察到，当竹屑纤维含量增加到20%时，出现明显的团聚现象，从图7（d）可知，随着苎麻纤维含量的增多，苎麻纤维分散效果明显提高，这是由于树脂流动性下降，提高了加工过程中熔体对苎麻纤维的剪切作用，从而更好打开纤维间的缠绕点。这也印证了力学测试结果，当纤维含量为20%时，苎麻落麻纤维增强复合材料的力学性能反而超过了竹屑纤维增强复合材料。

图7 天然纤维增强PE－HD复合材料断面SEM 照片Fig.7 SEM for various PE－HD／fiber composites

3 结论

（1）当纤维含量高于10%时，苎麻落麻纤维和竹屑纤维都可以有效提高PE－HD 的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量；

（2）PE－HD／苎麻落麻纤维的拉伸性能和弯曲性能明显优于PE－HD／竹屑纤维复合材料；PE－HD／苎麻落麻纤维的拉伸强度最高提高了21%；而PE－HD／竹屑纤维只提高了11%；对于弯曲模量来说，纤维含量为15%时，PE－HD／苎麻落麻纤维弯曲模量比PE－HD 提高了48%，而PE－HD／竹屑纤维比PE－HD 高约8%。

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