Magma纤维增强高密度聚乙烯复合材料的性能1)

商 璐 韩广萍 程万里 吴清林

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (美国路易斯安那州立大学)

Magma纤维增强高密度聚乙烯复合材料的性能1)

商 璐 韩广萍 程万里 吴清林

(东北林业大学，哈尔滨，150040) (美国路易斯安那州立大学)

考查了Magma纤维(MF)作为增强材料与高密度聚乙烯(HDPE)通过注塑方式加工制得MF/HDPE复合材料的力学性能、热稳定性以及微观形貌等性能特点，旨在为Magma纤维增强木塑复合材料的可行性进行初步探索。结果表明；随着Magma纤维用量的增加，MF/HDPE复合材料的拉伸模量、弯曲强度及弯曲模量均呈现一定的上升趋势，但拉伸强度略有下降；差示扫描量热分析以及热失重分析显示出MF/HDPE复合材料具有良好的热稳定性；通过扫描电子显微镜观察到MF/HDPE复合体系相容性较差。

Magma纤维；高密度聚乙烯；复合材料

High density polyethylene (HDPE)-based composites with magma fiber (MF) as reinforcing material were manufactured through injection molding. The mechanical properties, thermal stability, and microscopic morphology of MF/HDPE composites were investigated to demonstrate the feasibility of making wood-plastic composites with Magma fiber. The tensile modulus and bending properties of MF/HDPE composites increased with the increase of MF application content, while the tensile strength decreased slightly. By differential scanning calorimetry and thermogravimetric, the MF/HDPE composites had good thermal stability. By scanning electron microscopy, the compatibility of the MF/HDPE composites is poor.

Magma纤维(MF)是一种新型无机矿物纤维材料，由主要成分为硅酸盐的岩浆石在高温熔融后旋转挤出制得，具有耐高温的特点，其熔点为1 315 ℃。Magma纤维的理论化学成分为：SiO242.3%、CaO35.7%、MgO9.6%、Al2O39.3%(Lost Circulation Specialists，Inc[EB/OL]．2010．http：//lostcirculation．com/)，其主要成分与土壤相似，在自然环境中容易全部降解为土壤母质，是一种取之于自然，又能回归于自然的生态环保材料，在不同的工业领域具有广泛的应用前景。

随着环保意识的日益增强，人们要求保护森林资源、减少白色污染的呼声日趋高涨，木塑复合材料(WPC)作为解决废弃高分子材料高效利用的重要途径备受关注[1-2]。近年来，无机纤维作为填料或增强材料与热塑性塑料制备高性能木塑复合材料的研究逐渐引起人们的兴趣。国内外研究学者对玄武岩纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维等无机纤维增强木塑复合材料进行了大量研究，其中包括无机纤维与木粉混杂体系增强木塑复合材料的制备及性能[3-5]、协同增强效应[6]，纤维长度[7]、组分比例[8-9]对复合材料性能的影响，以及玄武岩纤维、玻璃纤维和碳纤维作为增强体复合材料的力学性能[10]等。既往研究均表明了无机纤维的添加对木塑复合材料的性能尤其是力学性能具有明显的增强效果，为拓展木塑复合材料在结构工程等高性能领域的应用提供了科学依据。目前，Magma纤维主要用于水基、油基泥浆堵漏以及水泥添加剂等方面(Lost Circulation Specialists，Inc[EB/OL]．2010．http：//lostcirculation．com/)，作为增强材料制备木塑复合材料的研究尚未见报道。本研究通过考查Magma纤维增强高密度聚乙烯复合材料的力学强度、热稳定性以及微观形貌等性能特点，为利用Magma纤维制备木塑复合材料的可行性进行初步探索。

1 材料与方法

1.1 原料及仪器设备

高密度聚乙烯(HDPE)购于埃克森美孚石油化工，密度为0.948 g/cm3；Magma纤维由怀俄明州卡斯珀堵漏专家有限公司提供。

32 mm双阶挤出机组(美国CW布拉班德仪器公司)；BT25钢绞线造粒机(美国海湾塑料机械)；巴顿菲尔德PLUS35注射机(澳大利亚威猛巴顿菲尔德有限公司)；RGT-20A能力学试验机(深圳瑞格尔仪器公司)；Q20型差示扫描量热分析仪(美国TA公司)；Q50型热重分析仪(美国TA公司)；QuanTa200型环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)。

1.2 试样制备

将Magma纤维原料在(103±2)℃温度下干燥至含水率3%以下，干燥后的Magma纤维与HDPE在高速混合机中混合，经BT25钢绞线造粒机造粒，粒料在PLUS35注射机中注射成型，制得MF/HDPE复合材料的标准测试试件备用。

1.3 性能测试

力学性能：试样的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量分别参照美国ASTM-D638、ASTM-D790、ASTM-D7031标准进行测试，测试结果均为5个试样的算术平均值。

热稳定性能：差示扫描量热分析采用TA-Q20型差示扫描量热分析仪，测试复合材料在氮气氛围内的熔融性能。测试温度从室温升至400 ℃，升温速率为10 ℃/min。

热失重分析采用TA-Q50型热重分析仪，测试复合材料在升温过程中的热分解，测试在氮气氛围内，20 ℃/min升温速率下，从室温升至600 ℃复合材料的热重和微分热重曲线，其中微分热重曲线为热重曲线的一阶导数曲线。

微观形貌：采用美国FEI公司QuanTa200型环境扫描电子显微镜观察复合材料的微观形貌，材料在液氮中脆断后，锯切成规定尺寸并固定在试验台上，喷金镀膜后进行电镜观察，放大倍率为500～3 000倍。

2 结果与分析

2.1 Magma纤维质量分数对复合材料力学性能的影响

材料的力学性能决定了其使用范围。在拉伸和弯曲性能测试中，作为增强材料的Magma纤维是复合材料中载荷的主要承受体，受力后裂纹首先从试样底部产生，并随着作用力的增加沿试样逐渐扩展。在MF/HDPE复合材料断裂过程中，不仅要破坏高密度聚乙烯基体，还会破坏Magma纤维与塑料基体之间的界面。表1为MF/HDPE复合材料的力学性能测试结果，可以看出Magma纤维的加入可以不同程度地增强MF/HDPE复合材料的拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量等力学性能指标，只有拉伸强度随Magma纤维质量分数的增加略有下降。当MF/HDPE复合材料中Magma纤维质量分数为40%时，MF/HDPE复合材料的拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量取得最大值，分别较未添加Magma纤维的复合材料提高了224%、28%和128%。

表1 MF/HDPE复合材料的力学性能

注：表中数值为5个重复试样测量结果的平均值±标准差。

2.1.1 Magma纤维质量分数对MF/HDPE复合材料拉伸性能的影响

Magma纤维质量分数对MF/HDPE复合材料拉伸性能的影响如表1所示。由MF/HDPE复合材料拉伸模量测试结果可知，纯HDPE的拉伸模量非常低，只有0.87 GPa；随着Magma纤维质量分数的增加，MF/HDPE复合材料拉伸模量由0.87 GPa增加到2.82 GPa，提高了两倍以上；当Magma纤维质量分数达到40%时，MF/HDPE复合材料的拉伸模量取得最大值，可见Magma纤维对MF/HDPE复合材料拉伸模量的增强效果十分显著。但随着Magma纤维质量分数的增加，MF/HDPE复合材料的拉伸强度总体上略呈下降趋势，但数值相差不大，在20～23 MPa，降幅约为10%。

2.1.2 Magma纤维质量分数对MF/HDPE复合材料弯曲性能的影响

弯曲性能作为表征界面载荷传递的参数，反映了复合材料的界面黏结性能。从表1弯曲强度和弯曲模量的测试结果可以看出，Magma纤维的添加对MF/HDPE复合材料弯曲性能表现出了明显的增强效果。随着Magma纤维质量分数的增加，MF/HDPE复合材料的弯曲强度呈现上升趋势，由27.60 MPa增加到35.36 MPa，增加幅度为28.2%；Magma纤维质量分数为40%时，MF/HDPE复合材料的弯曲强度达到最大值，为35.36 MPa。同弯曲强度一样，MF/HDPE复合材料的弯曲模量随Magma纤维质量分数增大，呈现较明显的上升趋势。Magma纤维质量分数为20%时，弯曲模量略有升高；Magma纤维质量分数为40%时，MF/HDPE复合材料的弯曲模量达到最大值，为2.65 GPa。

可以看出，Magma纤维作为增强材料，对MF/HDPE复合材料的拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量产生了较明显的增强效果，弯曲性能的增强说明MF/HDPE复合材料体系的刚度有所增大。Magma纤维的主要成分SiO2是原子晶体，CaO是离子晶体，其他成分为金属氧化物属于无机组分，而高密度聚乙烯基体是有机成分，与Magma纤维的相容性较差，并且随着Magma纤维质量分数增多，塑料无法完全将其包裹，造成MF/HDPE复合材料的界面强度变差，使得拉伸强度略有降低。此外，MF/HDPE复合体系的黏度随Magma纤维增多而增大，加工过程中流动性变差影响了Magma纤维在高密度聚乙烯基体中的分散性，进而影响了Magma纤维对MF/HDPE复合材料的增强效果，尤其是拉伸强度。

2.2 MF/HDPE复合材料的热稳定性能

2.2.1 MF/HDPE复合材料差示扫描量热分析

MF/HDPE复合材料在氮气氛围内，10 ℃/min升温速率下，从室温升至400 ℃的差示扫描量热分析曲线如图1所示。

图1 MF/HDPE复合材料差示扫描量热分析曲线

曲线中只出现一个明显的放热峰。Magma纤维的主要成分SiO2、CaO等都属于耐高温物质，Magma纤维的添加并未表现出单独的熔融峰。随着Magma纤维质量分数增加，MF/HDPE复合材料体系的熔融温度没有发生明显改变，在133～135 ℃时没有出现明显的偏移，说明Magma纤维的添加及其质量分数的变化对MF/HDPE复合材料的熔融参数影响不大；但MF/HDPE复合材料的熔融焓以及熔程变小，峰面积减小，可能是由于Magma纤维的添加影响了高密度聚乙烯基体的相对结晶度，在放热过程中释放的能量减小造成的。

2.2.2 MF/HDPE复合材料热失重分析

在氮气氛围内物质的热变化状况能反映物质内所含不同组分的热分解性能，图2为MF/HDPE复合材料在氮气氛围内，20 ℃/min升温速率下，从室温升至600 ℃的热分解曲线。不同Magma纤维质量分数的MF/HDPE复合材料具有相似的热重曲线，均只有一个明显的质量损失阶段，微分热重曲线也只有一个单峰，属于一阶失重曲线，降解温度范围为299.31～499.44 ℃，主要是基体材料有机物质高密度聚乙烯的分解。500 ℃左右时，样品的分解率分别为98.01%、77.40%、56.90%，可见随着Magma纤维质量分数的增加，MF/HDPE复合材料中SiO2、CaO等耐高温物质质量分数增多，未分解样品质量分数也随之增多，且与Magma纤维质量分数成一定比例。此外，当Magma纤维质量分数为20%时，剩余灰分为23.6%，高于20%；Magma纤维质量分数为40%时，剩余灰分为43.1%，也高于40%，说明Magma纤维的添加不仅改善了MF/HDPE复合材料的热稳定性，还使其具有了一定的阻燃性能。

a．热重曲线 b．微分热重曲线

图2 MF/HDPE复合材料热重曲线和微分热重曲线

2.3 MF/HDPE复合材料的微观形貌

图3是MF/HDPE复合材料在液氮下脆断的扫描电子显微镜图。由图3a、图3b可见，MF/HDPE复合材料中，有部分相对较长的Magma纤维的断头(如箭头所示)，能够起到较大的增强作用，纤维分布比较均匀，但随着Magma纤维质量分数的增加，与断面交叉的纤维增多。Magma纤维被拔出后的孔洞(如图3a—图3e空心箭头所示)形状较为规则。由于Magma纤维表面与高密度聚乙烯基体之间界面结合比较薄弱，主要通过机械作用和静电作用结合，没有产生明显的化学作用；且Magma纤维与高密度聚乙烯基体存在界面间隙(如图3c、图3d圆圈处)，这或许是MF/HDPE复合材料拉伸强度不升反降的原因。此外，Magma纤维与HDPE剥离后的表面非常光滑(见图3c、图3e)，并未黏附高密度聚乙烯基体，表明Magma纤维与HDPE的界面黏合性很差，当被拉伸或弯曲时，在裂纹增长之前主要呈界面脱黏破坏，纤维的增强作用得不到充分的发挥。图3d—图3f为Magma纤维在MF/HDPE复合材料中的存在形态，Magma纤维以多种形态(如“J”、“I”、“C”型等)存在于复合材料中，且形状尺寸差异较大，原料的不均匀可能也是减弱Magma纤维增强效果的一个因素。

a．10% MF(×500)； b.20% MF(×500)；c.20% MF(×3000)；d.30% MF(×500)；e.30% MF(×1000)；f.40% MF(×200)。

3 结论

无机纤维作为增强材料与热塑性塑料制备高性能木塑复合材料是近年生物质复合材料领域研究的热点。本研究选用Magma纤维作为增强材料，对MF/HDPE复合材料的力学性能、热稳定性以及微观形貌进行了测试分析。力学性能测试结果显示随着Magma纤维质量分数的增加，MF/HDPE复合材料的弯曲强度、弯曲模量和拉伸模量得到显著增强，提高的幅度分别为30%、120%、230%左右，但拉伸强度有10%左右的降幅；差示扫描量热分析和热重分析的结果表明MF/HDPE复合材料具有较好的热稳定性以及一定的阻燃性能；扫描电子显微镜观察到Magma纤维与高密度聚乙烯基体存在一定的界面间隙，削弱了Magma纤维的增强效果。鉴于此，在后续研究中将从改性Magma纤维、添加偶联剂、与其他纤维混杂等方面继续对Magma纤维增强高密度聚乙烯木塑复合材料进行研究，以期使MF/HDPE复合材料的性能有更大的提高，能够应用在结构工程等高性能领域。

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Properties of Magma Fiber Reinforced High Density Polyethylene Composites/

Shang Lu, Han Guangping, Cheng Wanli(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Wu Qinglin(Louisiana State University)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-99～102

Magma fiber; High density polyethylene (HDPE); Composites

1) 国家自然科学基金(31010103905)。

商璐，女，1988年12月生，东北林业大学材料科学与工程学院，硕士研究生。

韩广萍，东北林业大学材料科学与工程学院，教授。E-mail：guangpingh@hotmail.com。

2013年9月26日。

TQ325.1+2

责任编辑：戴芳天。