不同工艺参数对麦秸/聚乙烯复合材料性能的影响*



不同工艺参数对麦秸/聚乙烯复合材料性能的影响*

高振棠

(济宁市技师学院，山东济宁272000)

摘要：考察口模挤出压力降对复合材料密度及冲击强度的影响，挤出温度对泡孔结构的影响及复合材料添加剂对挤出工艺的影响。结果表明，挤出压力降在9 MPa以内，对复合材料的密度影响不大，超过9 MPa对复合材料的密度影响显著；随着挤出压力降增加，复合材料的冲击强度出现先增加后降低再增加的趋势；随着口模温度的增加，复合材料的泡孔尺寸逐渐增大并由开孔到闭孔，直至泡孔破裂；AC发泡剂用量的增加会造成口模挤出压力降的升高和挤出速度的下降；麦秸粉用量增加，造成复合材料的挤出压力降略有升高但对挤出速度影响不大。

关键词：挤出工艺参数；力学性能；微孔发泡；口模温度

微孔发泡木塑复合材料具有泡孔尺寸小、泡孔密度大、强度质量比高等优点，既改善了木塑复合材料的脆性大、密度高等缺点，又改善了传统发泡材料因泡孔尺寸过大造成的刚度、强度低等缺点，是木塑复合材料的新的发展方向[1]。东北林业大学的韩振[2]研究了PVC/木粉等木塑复合材料的发泡性能，山东理工大学的蔡红珍等[3]对麦秸聚乙烯微孔发泡复合材料已经作了广泛而细致的研究，但对其加工工艺的研究涉及不多，四川大学周聪等[4]开展了对木粉/PP复合发泡材料的研究，但对麦秸聚乙烯类发泡材料没有涉及。由于加工工艺参数受材料配方、设备等方面的影响较多，对于微孔发泡复合材料的加工工艺参数的研究一直较少。本研究主要介绍挤出工艺参数对麦秸/聚乙烯微孔发泡复合材料性能的影响，旨在为今后其加工工艺参数优化推广提供参考。

1材料与方法

1.1主要原料

高密度聚乙烯，DMD1158,山东齐鲁石化公司；AC发泡剂，HG2096-2097-91，山东桓台博祥化工有限公司；麦秸粉，自制，分别用40～120目筛子过筛制得(指透过40目筛留在120目筛之间)，使用前在105℃烘箱中干燥24 h。

1.2仪器设备

高速混合机，自制；场发射扫描电子显微镜(SEM)型号为Sirion200，荷兰FEI公司；锥形双螺杆挤出机，型号为SJZ-45/90B，上海金湖挤出设备有限公司；电子天平，FA2004N，河北承德试验机有限公司。

1.3复合材料的制备与成型

将麦秸粉与高密度聚乙烯及其他助剂在高速混合机混合好后放入异向锥形双螺杆挤出机中挤出成型，成型尺寸为15 mm×55 mm片材，经冷却、切割加工成测试所需试样并记录挤出压力降基本稳定时的螺杆转速(螺杆平衡转速)和口模挤出压力降值。挤出温度设定为155℃，170℃，180℃，160℃，165℃。

1.4性能测试

冲击强度按GB/T1043-2008塑料简支梁冲击性能的测定方法测试；密度按GB/T1463-2005纤维增强塑料密度测试方法测试；SEM实验:将试样断面真空镀金扫描电镜下观察并拍照。

2结果与分析

2.1口模挤出压力降对复合材料冲击强度的影响

以口模温度为160℃不变，改变AC发泡剂、麦秸粉用量，经多次试验，其测量结果如图1所示。由图1可知，挤出压力降在4～11 MPa范围内，随着挤出压力降增加，复合材料的冲击强度出现先增后降再增的趋势，这是因为，一方面，口模挤出压力降的增大使得熔体的黏度增大，从而可以提高气体溶解度，增加复合材料的泡孔数量，减小泡孔尺寸，这些小的泡孔可以钝化复合材料的裂纹及缺陷，因此，复合材料的冲击强度会有所提高，但随着挤出压力降的增大，熔体中泡孔数量增加，复合材料单位截面上麦秸纤维和聚乙烯大分子链减少，可承载的载荷量也就减小，复合材料冲击强度减小；随着挤出压力降继续增加，泡孔密度增加，泡孔直径减小，复合材料的密实度增加，单位截面上麦秸纤维和聚乙烯大分子链增加，可承载的载荷量也随之增大。

图1　挤出压力降对复合材料冲击强度影响

2.2口模挤出压力降对复合材料密度的影响

以口模温度为160℃不变，改变AC发泡剂、麦秸粉用量，经多次试验其测量结果如图2所示。

图2　挤出压力降对复合材料密度影响

由图2可知，挤出压力降在4～9 MPa范围内，随着挤出压力降增加，复合材料的密度有略微升高的趋势，但变化不大，这是因为：在4～9 MPa范围内，气泡的生成与长大起主要作用，挤出压力降的升高可以增加气体的溶解度，增大复合材料的泡孔密度，有利于密度减小，同时挤出压力降的升高抑制了泡孔的生长，使得密度增加；挤出压力降超过9 MPa以后挤出压力降的增大抑制了气泡的生长，以及聚乙烯链段的伸展，使复合材料更加致密，导致复合材料密度增加[5]。

2.3挤出温度对复合材料性能的影响

以高密度聚乙烯100份，麦秸用量为40份，发泡剂的用量为4份，螺杆转速为5.3 r/min为基础，改变口模温度分别为160℃，165℃，170℃。口模温度对复合材料的微孔结构影响如图3所示。

(a)160℃

(b)165℃

(c)　170℃

图3(a)为口模温度为160℃复合材料微孔结构试样，从图3(a)中可以看到，泡孔均匀，平均直径在100 μm以下，为闭孔结构；图3(b)为口模温度为165℃时复合材料微孔结构试样，从图3(b)中可以看到泡孔尚均匀，平均直径略大于100 μm，闭孔较多，已有开孔结构出现；图3(c)为口模温度为170℃时复合材料微孔结构试样,从图3(c)中可以看到，泡孔普遍破裂，微观结构多为开孔；这是因为，熔体离开口模时，挤出压力消失，气泡核快速形成并长大，当口模温度较高时，气泡生长的较快，气泡的直径较大，甚至泡孔之间相互合并变为开孔结构[6]。

2.4复合材料主要添加剂对挤出性能的影响

以高密度聚乙烯100份,口模温度为160℃为基础，改变发泡剂的用量，麦秸粉用量获得不同的转速与相对应的挤出压力降,其测试结果如图4所示。

(a)

(b)

由图4(a)可知，随着AC发泡剂用量的增加，螺杆平衡转速和挤出压力降发生较大变化。未加AC发泡剂时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在7 MPa，挤出比较稳定；当AC发泡剂用量在2份时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在4.8 MPa，当AC发泡剂用量为4份时，螺杆平衡转速为4.4 r/min，挤出压力降稳定在7.5 MPa，当AC发泡剂用量为6份时，螺杆平衡转速为2.1 r/min，挤出压力降稳定在8.5 MPa。由此可见，AC发泡剂用量的增加会造成口模挤出压力降的升高和挤出速度的下降，这是因为首先随着AC发泡剂的增加，PE熔体内溶入气体量增加，挤出压力降升高，熔体对口模的压力降随之增大；其次溶有大量饱和气体的熔体在口模附近发泡，阻碍后续熔体挤出造成挤出速度下降。

由图4(b)可知，当麦秸粉用量在30份时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在7.3 MPa；当麦秸粉用量为50份时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在7.2 MPa；当麦秸粉用量为70份时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在7.5 MPa；当麦秸粉用量为100份时，螺杆平衡转速为5.3 r/min，挤出压力降稳定在6 MPa。由此可见，随着麦秸粉用量增加，复合材料的挤出速度变化不大，挤出压力降略有升高。这是因为随着麦秸粉用量的增加，熔体流动性变差，较多的物料堆积在口模处，导致挤出压力降升高。

3结论

(1)口模挤出压力降在9 MPa范围内，对复合材料的密度影响不大，超过9 MPa对复合材料密度影响显著；

(2)随着口模挤出压力降增加，复合材料的冲击强度呈现先增加后降低再增加的趋势。

(3)随着口模温度的增加，复合材料的泡孔逐渐长大并由闭孔到开孔，直至泡孔破裂。

(4)AC发泡剂用量的增加会造成口模挤出压力降的升高和挤出速度的下降；麦秸粉用量增加，对复合材料的挤出速度影响不大，挤出压力降略有升高。

参考文献：

[1]蔡绍祥，喻云水.木塑复合材料的应用及其发展前景[J].西部林业科学，2005，34(2):113-117.

[2]韩振.PVC基木塑复合结皮发泡地板基材的研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2010.

[3]蔡红珍,柏雪源，易维明，等.麦秸/聚乙烯复合材料的研究[J].林业科技，2007(11)：42-44.

[4]周聪，王美珍，吴智华.加工参数对PP/木粉复合材料结构和性能的影响[J].现代塑料加工应用，2009，21(2)：1-4.

[5]高振棠，柏雪源，蔡红珍.HDPE/麦秸粉微孔发泡复合材料挤出工艺的研究[J].工程塑料应用，2008，36(3)：40-43.

[6]高巧春，柏雪源，蔡红珍.PP/LDPE共混微孔发泡木塑豆合材料的研究[J].塑料，2009，37(9)：26-28.

Effect of Different Processing Parameters on the Properties of

Wheat Straw/PE Composites

GAO Zhen-tang

(Ji Ning Techincian Institute,Jining Shandong 272000,P.R .China)

Abstract:The effect of extrusion pressure drop on composite density and impact strength,the effect of extrusion temperature on microstructure,and the effect of additives contents on extrusion process parameters were studied.The result shows there was little influence on the composite density when the extrusion pressure drop below 9 MPa,while a significant influence when the extrusion pressure drop over 9 MPa.With the increase of extrusion pressure drop,the impact strength of composite showed a tendency of increase followed decrease and increase at the last.With the increasing die temperature ,the size of bubble hole was gradually increased and formed a closed hole from hole opening,and bubble broken at the end.The increase of AC foaming agent will lead to increasing of extrusion pressure drop and decrease of the extrusion speed.The extrusion pressure drop will be slightly increase with increasing dosage of wheat straw powder,while it has little impact on the extrusion speed.

Key words:extrusion process parameters; mechanical property; microcellular foaming; die temperature

中图分类号：TQ 328.2；TB 332

文献标识码：A

文章编号：1672-8246(2015)05-0068-04

作者简介：高振棠(1974-)，男，讲师，硕士，主要从事生物质基复合材料的研究。E-mail：gaozhentang@163.com

基金项目：国家农业科技成果转化基金2013GB2C600274。

收稿日期：*2015-01-21

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.013