玉米秸秆粉与HDPE基复合材料制备及力学性能

巫国富

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

玉米秸秆粉与HDPE基复合材料制备及力学性能

巫国富

(广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004)

以玉米秸秆粉、硼砂与硼酸混合物及高密度聚乙烯(HDPE)混合挤出制备阻燃性复合材料。探讨玉米秸秆粉、硼砂与硼酸混合物含量对复合材料抗拉强度、静曲强度和抗冲击强度的影响。结果表明：玉米秸秆粉含量为60%时，复合材料的抗拉强度、静曲强度、抗冲击强度最佳，分别为38.07 MPa、65.24 MPa、13.45 kJ·m-2；复合材料力学性能随着硼砂与硼酸混合物含量的增加而降低。

玉米秸秆粉；高密度聚乙烯(HDPE)；复合材料；力学性能

随着石油资源和木材资源的短缺，以来源丰富、可再生和成本低廉的农业秸秆纤维为原料开发新型绿色环保生物质复合材料，是21 世纪最有发展前景的材料之一[1]，其产品市场将朝着更广泛、更高端、更专业、更细分的方向发展[2]。农作物秸秆是一种可再生的生物质资源，我国每年达7亿t以上，广西是个农业大省，资源非常丰富，年产农作物秸秆4000多万t，但都没有得到很好的利用[3]。同时，为了改善木塑复合材料易燃的缺陷，本研究采用玉米秸秆粉、硼砂与硼酸混合物及高密度聚乙烯(HDPE)混合挤出制备阻燃性复合材料，探讨玉米秸秆粉和硼砂与硼酸混合物含量对复合材料力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

玉米秸秆采自柳州市沙塘农科所，制成过60目的粉；高密度聚乙烯(HDPE)，型号5000S，白色颗粒，中国石油大庆石化公司生产；偶联剂采用马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，上海日之升科技有限公司；固体石蜡；硼砂、硼酸，上海紫一试剂厂。

1.2 主要试验设备

DHG型9030A立式电热恒温干燥箱，上海春佳电热设备有限公司；SHR-10A高速混合机，莱州市东佳化工机械有限公司；SHJS50/100双阶塑料挤出机组，南京首瑞橡塑机械厂；IVMWD-20型微机控制万能力学试验机，山东济南中创仪器有限公司；组合式冲击实验机XJ-50Z，河北承德建德有限公司；XJ-300小型精密裁推台锯等。

1.3 试验方法

1.3.1 阻燃性复合材料制备 本试验选用挤出成型工艺，粒径60目的玉米秸秆粉烘干到含水率3%左右。分别将玉米秸秆粉、硼砂与硼酸混合物、HDPE、MAPE、石蜡按表1的质量百分比称量好，先用高速混合机进行混合。然后加入双螺杆挤出机中熔融混合造粒，双螺杆温度设定为一区145 ℃，二区150 ℃，三区155 ℃，四区160 ℃，五区165 ℃，六区160 ℃，七区145 ℃，转速设定为50 r·min-1；最后用单螺杆挤出机挤出成型，温度设定为一区145 ℃，二区150 ℃，三区155 ℃，四区160 ℃，五区160 ℃，六区160 ℃，七区160 ℃，八区160 ℃；转速设定为10 r·min-1。

表1 阻燃性复合材料成分

*：硼砂与硼酸混合物为硼砂∶硼酸=1∶1。

1.3.2 力学性能的测试

1)抗拉强度与弯曲强度测试：使用电子万能力学试验机，依据ASTM-D790标准[4]，把抗拉强度和弯曲强度试样分别制成160 mm×13 mm×4 mm和80 mm×13 mm×4 mm规格，根据标准每组重复5个试样。

2)无缺口冲击强度测试：使用XJ-50Z组合式冲击实验机，按照GB/T 1043—1993标准[5]把试样制成80 mm×10 mm×4 mm规格，每组重复5个试样。

图1 玉米秸秆粉含量对弯曲和拉伸强度影响

2 结果与分析

图2 玉米秸秆粉含量对冲击强度影响

2.1 玉米秸秆粉含量对复合材料力学性能的影响

由图1可见，在本研究范围内复合材料的抗拉强度、弯曲强度随着玉米秸秆粉含量的增加呈先增加后减小的趋势。玉米秸秆粉含量为60%时，弯曲强度、抗拉强度最大，分别为65.24 MPa、38.07 MPa。这主要是因为玉米秸秆粉含量在一定添加范围内，对塑料基体具有一定的增强作用，从而使复合材料弯曲强度和抗拉强度增大。当玉米秸秆粉含量超过一定范围时，随着玉米秸秆粉含量的增加，复合材料力学性能下降。这或许归因于以下2方面原因：第一，玉米秸秆粉含量大，玉米秸秆粉中的羟基容易形成分子内及分子间氢键[5]；第二，玉米秸秆粉含量大，容易形成团聚，影响了玉米秸秆粉在PE基体内的均匀分布，导致载荷无法有效地从基体向秸秆粉传递，最终使得复合材料力学性能下降。

图3 硼砂与硼酸混合物含量对弯曲与拉伸强度影响

图2表明，随着玉米秸秆粉含量的增加，复合材料冲击强度逐渐降低。玉米秸秆粉由50%增加到70%时冲击强度降低了3.58 kJ·m-2，下降了24.93%。这表明玉米秸秆粉增加了材料的刚性，降低了复合材料韧性。由于玉米秸秆粉的加入破坏了HDPE基体的连续性，导致了两者界面相容性差。

图4 硼砂与硼酸混合物含量对冲击强度影响

2.2 硼砂与硼酸混合物含量对木塑复合材料力学性能的影响

玉米秸秆粉、HDPE含量固定为60%、40%时，分别加入 2%、4%、6%、8%的硼砂与硼酸混合阻燃剂制备阻燃性复合材料，其力学性能见图3、图4。图3、图4表明，随着硼砂与硼酸混合物含量的增加，弯曲强度、拉伸强度、冲击强度均逐渐减小。当硼砂与硼酸混合物含量为8%时，材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度比未添加硼砂与硼酸混合物的材料分别降低了11.61%、15.34%、22.97%；当硼砂与硼酸混合物含量为2%时，材料的弯曲强度、拉伸强度和冲击强度比未添加硼砂与硼酸混合物的材料分别降低了1.44%、1.72%、3.2%。这一结果也证实了添加硼砂与硼酸混合物降低了材料的力学性能，且对材料冲击强度的影响比对材料弯曲强度、拉伸强度影响更大，这一结果与其他学者研究的结果类似[6-8]。归因于硼砂与硼酸混合物有较低的吸收抗冲击能量的能力，打乱了玉米秸秆粉与HDPE的连续相，产生了空洞和孔隙，使得部分应力集中，减低了两者的相容性，导致了力学性能的降低。

3 结论

通过调整玉米秸秆粉与HDPE的比例，可以制备出力学性能比较好的复合材料，当玉米秸秆粉为60%时，复合材料综合力学强度较好。硼砂与硼酸混合物作为阻燃剂添加，降低了复合材料的力学性能；添加量比较少时，对其力学性能的影响较小，添加量达8%以上时其力学性能降低比较大，特别是对复合材料冲击强度影响比较大。在满足力学性能要求的条件下，可以通过添加不同比例的配方制造出适合不同要求和场合使用的复合材料。

[1]Mohanty A K，Mistra M，Drzal L T.Sustainable bio-composites from renewable resources：Opportunities and challenges in the green materials world [J].Polymer Degradation and Stability，2002(3)：19-26.

[2]李靖.我国木塑复合材料产品市场发展动向[J].中国人造板，2014(2)：1-3.

[3]梁毅劼，梁秀明，兰宗宝，等.广西提高农作物秸秆综合利用率的对策[J].企业科技与发展，2008(24)：241-243.

[4] American Society for Testing and Materials.Standard ASTM D 638—1997.Standard test method for tensile properties of plastics[S].Philadelphia，PA，1997.

[5]国家技术监督局.GB/T 1043—1993硬质塑料简支梁冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社，1993.

[6]蔡红珍，柏雪源，高巧春，等.稻壳及硅烷添加量对木塑复合材料力学性能的影响[J].农业工程学报，2007，23(11)：176-179.

[7]Sain M，Park SH，Suhara F，et al.Flame retardant and mechanical properties of natural fibre-PP composites containing magnesium hydroxide[J].Polym Degrad Stab，2004(83)：363-367.

[8]Chiu SH，Wang WK.The dynamic flammability and toxicity of magnesium hydroxide filled intumescent fire retardant polypropylene[J].Appl Polym Sci，1998(67)：989-995.

Mechanical Properties and the Preparation of Corn Stalk Powder and HDPE Composite

WU Guo-fu

(GuangxiEco-engineeringVocationalandTechnologyCollege，Liuzhou545004，Guangxi，China)

The raw materials of corn stalk powder，boric acid (BA) and borax (BX) compounds and high density Polyethylene (HDPE) were mixed to produce flame retardant composite materials by extrusion way.Discussed the effect of the content of corn stalk powder and boric acid (BA) and borax (BX) compounds on the tensile strength，bending strength and impact strength of composite.The results indicated that the tensile strength，bending strength and impact strength of the composite materials reached maximums at the corn stalk powder content of 60 %，respectively 38.07 MPa、65.24 MPa and 13.45 KJ·m-2，and mechanical properties of composite materials decreased with the percentage weight of boron compounds increased.

corn stalk powder；HDPE；composite materials；mechanical properties

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.017

2014-11-09；

2015-01-04

广西高校科研项目(功能性秸秆木塑复合材料制备工艺研究，2013YB324)；广西生态工程职业技术学院科研项目(功能性秸秆木塑复合材料制备工艺研究，201209A)

巫国富(1974—)，男，福建三明人，广西生态工程职业技术学院副教授，硕士，从事生物质复合材料研究。E-mail：xlwgf001@126.com。

S781.2；TB332

A

1002-7351(2015)04-0080-03