杜仲翅果壳粉/PVC复合材料力学性能研究

2014-05-07李春霞辛振祥

塑料包装 2014年3期

李春霞沈梅辛振祥*

(青岛科技大学)

杜仲是我国特有的经济树种资源，在我国拥有广泛的种植面积，天然杜仲胶在杜仲翅果壳、叶子以及树皮中以丝状物的形式存在，其中杜仲翅果壳中的含胶率最高，达到12% ～15%［1］。杜仲胶又名古塔波胶，其化学组成与天然橡胶相同，只是分子构型上存在顺、反的差异，天然橡胶是顺式-聚异戊二烯，而杜仲胶是反式-聚异戊二烯［2］。目前对于杜仲胶的提取方法有很多，例如严瑞芳［3］等采用苯-甲醇法提取杜仲叶子中的杜仲胶，陆志科［4］等采用甲苯法提取杜仲胶，张学俊［5］等采用石油醚-乙醇法提取杜仲胶，虽然对于杜仲胶的提取已做了大量的研究，但是杜仲胶的提取率低，提取成本高一直限制着杜仲胶提取的工业化生产，从而使其应用受到制约。

木塑复合材料是以木纤维或植物纤维为主要组分，经过预处理使之与热塑性树脂或其它材料复合而成的一种新型材料［6］。杜仲翅果壳中含有大量的植物纤维可与PVC共混制备木塑复合材料，同时杜仲翅果壳中含有一定量的杜仲胶可改善木塑复合材料的性能，因此采用机械粉碎的方法将杜仲翅果壳粉碎、筛选与PVC共混制备木塑复合材料，希望能通过制备木塑复合材料来拓宽杜仲胶的使用范围，为杜仲胶的开发利用提供了一种新思路。因此本文研究了杜仲翅果壳的用量、粒径等对复合材料的力学性能、加工性能的影响，以期为杜仲胶的应用及木塑复合材料新产品的开发提供理论支持及技术指导。

1 实验

1.1 主要原材料

聚氯乙烯(PVC，HS-1000)，青岛海晶化工集团有限公司。杜仲翅果壳(含胶率为14.15%)，河南恒瑞源实业有限公司。硬脂酸，稳定剂，邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，市售。

1.2 基本配方

表1 试验配方

1.3 主要设备和仪器

表2 实验设备

1.4 试样制备

将杜仲翅果壳经粉碎机粉碎后，筛选，烘干，待用。

将高速混合机升温至90℃，转速设为150r/min，将PVC及其它原料一并投入高速混合机中搅拌10分钟，排出待用。

将开炼机升温至150℃，辊距设为1mm，对混合好的原料进行塑炼，左右割刀三次，混合均匀后下片，停放待用。

称取150克塑化好的原料，置于模具中，160℃ ×10MPa条件下在平板硫化机中预热10分钟，模压2分钟，取出后冷压10分钟，停放待用。

1.5 性能测试

拉伸强度按照标准GB/T I040.2-2006进行测试。弯曲强度按照标准GB/T 9341-2008进行测试。冲击强度按照标准GB/T 1843-2008进行测试。

2 结果和讨论

2.1 杜仲翅果壳中杜仲胶的分子量及分子量分布

通过对杜仲翅果壳中杜仲胶的提取，得到杜仲翅果壳的含胶率为14.15%，GPC曲线测得杜仲胶的重均分子量在4万左右。

图1 天然杜仲橡胶的GPC曲线

表3 天然杜仲橡胶不同预处理方法的分子量大小及分布对比

由图1和表3可以看出，经过超微粉碎的杜仲翅果壳具有较小的分子量和较窄的分子量分布，分析原因认为是杜仲胶丝在机械外力的作用下，被破坏成为较短小的分子链，也在很大程度上降低了杜仲胶的分子量，并且造成分子量分布较窄的现象。

2.2 DOP对杜仲翅果壳/PVC复合材料性能的影响

DOP对杜仲翅果壳/PVC复合材料性能的影响如下图所示:

图2 DOP对杜仲翅果壳/PVC复合材料性能的影响

从图2(a)可以看出，随着杜仲翅果壳粉用量的增加复合材料的拉伸强度出现先降低后趋于平稳的现象，当杜仲翅果壳粉用量从0份增加到80份时，未加DOP的复合材料的拉伸强度下降的程度较大。分析原因认为是开始时随着杜仲翅果壳用量的增加，杜仲翅果壳团聚现象增加，受力时造成试样的应力集中点增多，导致试样的拉伸强度呈现下降的趋势，而后随着杜仲翅果壳用量的增加，杜仲翅果壳中木质素上的极性基团改善其与PVC之间的分散，同时杜仲翅果壳中杜仲胶的含量的增加，改善试样的拉伸强度，使试样的性能下降速度减缓。DOP作为一种增塑剂，可以明显降低PVC基复合材料的加工温度，改善杜仲翅果壳粉在PVC基体中的分散性，但是DOP的加入明显降低了PVC分子间的相互作用，导致复合材料的拉伸强度下降。

从图2(b)可以看出，随着杜仲翅果壳粉用量的增加，复合材料的弯曲强度基本不变，当相同杜仲翅果壳粉用量时，添加DOP复合材料的弯曲强度明显较未加DOP复合材料低。分析原因认为是DOP的加入降低PVC分子间的相互作用，导致添加DOP后复合材料的弯曲强度明显降低。

从图2(c)可以看出，随着杜仲翅果壳用量的增加，未加DOP与加DOP复合材料的冲击强度均随着杜仲翅果壳粉用量的增加，出现先降低后趋于平稳的趋势，当杜仲翅果壳粉用量从0份增加到80份时，未加DOP的复合材料的冲击强度下降的程度较大。分析原因认为是开始时随着杜仲翅果壳用量的增加，受力时应力集中点不断增加，导致试样的冲击强度下降明显，DOP的加入降低了PVC分子间的作用力，改善复合材料的冲击强度，提高材料的韧性。

从图2(d)可以看出，随着杜仲翅果壳粉用量的增加，复合材料的硬度基本保持不变。DOP的加入明显降低了复合材料的硬度。

2.4 杜仲翅果壳用量及目数对杜仲翅果壳/PVC复合材料性能的影响

杜仲翅果壳用量及目数对杜仲翅果壳/PVC复合材料性能的影响如下图所示:

从图3(a)可以看出，随着杜仲翅果壳用量的增加，杜仲翅果壳/PVC复合材料的拉伸强度逐渐降低，当杜仲翅果壳用量在20-60份之间时，添加60目杜仲翅果壳制备的复合材料的拉伸强度较30目杜仲翅果壳制备的复合材料高。这主要是因为30目的杜仲翅果壳相对于60目的杜仲翅果壳拥有较大的长径比，较大的粒径在基体中容易形成空洞缺陷，导致杜仲翅果壳与PVC基体之间的黏结强度降低，在外力的作用下容易与PVC基体脱离，使得复合材料的性能下降，同时随着杜仲翅果壳粉用量的增减复合材料产生的应力集中点增减导致复合材料性能的降低。

从图3(b)可以看出，随杜仲翅果壳用量的增加，复合材料的弯曲强度逐渐增加，杜仲翅果壳用量相同时，30目杜仲翅果壳制备的复合材料的弯曲强度较60目杜仲翅果壳制备的复合材料高。分析原因认为是30目的杜仲翅果壳比60目的杜仲翅果壳拥有较大的长径比，可以提高复合材料的弯曲强度，虽然较大的长径比会在基体中形成空洞缺陷，影响复合材料的性能，但是随着杜仲翅果壳用量的增加，复合材料中应力集中区域增加，杜仲翅果壳的位阻效应增强，导致复合材料的弯曲强度提高。30目的杜仲翅果壳较60目的杜仲翅果壳会与PVC基体间形成较大的应力集中区域，增强杜仲翅果壳的位阻效应，导致30目杜仲翅果壳的弯曲强度高于60目杜仲翅果壳的弯曲强度。

从图3(c)可以看出，随着杜仲翅果壳用量的增加，复合材料的冲击强度明显降低，当杜仲翅果壳用量低于40份时，60目杜仲翅果壳制备的复合材料的冲击强度降低程度较大，当杜仲翅果壳用量超过40份后相同用量时不同目数杜仲翅果壳制备的复合材料的冲击强度相差不大。分析原因认为是60目杜仲翅果壳的粒径小于30目杜仲杜仲翅果壳的粒径，小粒径的杜仲翅果壳容易产生团聚现象，导致杜仲翅果壳与PVC之间的受力缺陷增多，冲击强度下降明显，随着杜仲翅果壳的用量的增加团聚现象得到缓解，60目杜仲翅果壳的复合材料与30目杜仲翅果壳的复合材料的冲击强度基本相当。

从图3(d)可以看出，随着杜仲翅果壳用量的增加，复合材料的硬度变化不大。同时杜仲翅果壳粒径的大小对于试样的硬度影响不大。