竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

董　雁，苏　团，谢桂香，温德才

（龙岩学院 化学与材料学院，福建 龙岩 364012）

竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料的制备及性能研究

董雁，苏团，谢桂香，温德才

（龙岩学院 化学与材料学院，福建 龙岩 364012）

通过挤出法制备竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料，采用注塑成型工艺制备试样，后对试样的力学性能及热性能进行表征，并用扫描电镜观察断面形貌。结果表明：当竹粉含量为30%、有机蒙脱土含量为6%、硅烷偶联剂含量为1%和马来酸酐接枝聚丙烯含量为10%时制备的竹粉/PP基复合材料有较好的性能。

竹粉；聚丙烯；硅烷偶联剂；马来酸酐接枝聚丙烯；力学性能；热性能

竹粉/塑料复合材料（简称竹/塑复合材料）是以热塑性塑料为基体，用竹粉作为填充、增强材料，通过不同的途径和工艺方法复合所形成的一种新型复合材料［1］，既具备了热塑性塑料的特点又具有天然竹材的优点，成本较低，收缩与变形小，无甲醛释放，防水、防虫蛀、抗霉变等工程特点，能代替部分塑料和竹材［2-3］，具有非常广泛的用途，如建筑行业，家具及装修业，包装行业，汽车工业及运输业、办公室设备及体育设备等多个方面［4-5］。但是由于竹粉与热塑性塑料的相容性比较低，界面结合力差，从而影响了复合材料的整体物理力学性能。

蒙脱土具有2∶1结构的层状硅酸盐，蒙脱土表面亲水疏油，与聚合物相容性不好，但对其进行有机化改性后，使其表面亲油疏水，层间距增大，使其与聚合物熔融复合，能够显著的提高聚合物的力学性能、稳定性、阻隔性、阻燃性等［6-7］。

本文研究采用熔融插层法通过双螺杆挤出机制备一系列聚丙烯/竹粉/有机蒙脱土复合材料，分析竹粉用量、有机蒙脱土用量、偶联剂用量及聚丙烯接枝马来酸酐对PP基竹塑复合材料力学性能和热性能的影响。

1　实验部分

1.1原料与试剂

竹粉80～120目，使用前经烘干处理，在100℃的鼓风干燥箱中恒温干燥24 h；硅烷偶联剂（KH-550），市售；有机蒙脱土（OMMT），市售；聚丙烯接枝马来酸酐（Mapp），市售；聚丙烯（PP）。

1.2设备

SHJ-20B双螺杆挤出机，南京杰恩特；SZ15塑料注塑机，上海文教机械厂；CSS-44100万能试验机，长春试验机研究所；STA449F3同步热分析仪，德国耐驰STA；S-3400N扫描电子显微镜，日本日立。

1.3实验步骤

1.3.1样品制备

将竹粉、PP、有机蒙脱土及硅烷偶联剂按照一定的比例均匀混合，放入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为155，160，165，170，175℃，机头温度175℃，螺杆转速50 r/min。挤出的粒料干燥后用注塑机注塑成标准试样。

1.3.2性能测试

分别按 GB/T 1040-2006和 GB/T 9341-2008万能试验机上测定试样的拉伸强度和弯曲强度，按GB/T 1043-2008在万能试验机上测定试样的缺口冲击强度。

1.3.3断面形貌表征

复合材料样品断面喷金处理，在S-3400N型扫描电子显微镜上观察PP基竹塑复合材料断面表面形态。

2　结果与讨论

2.1PP基竹塑复合材料力学性能

2.1.1拉伸强度与弯曲强度

图1为仅添加竹粉的PP基竹塑复合材料的拉伸强度及弯曲强度，由图1可知，随着竹粉用量加大，拉伸强度表现为先增大后急剧下降，竹粉用量在30%时是体系拉伸强度的转变的临界点，这可能是因为随着竹粉含量的增加，竹粉凝聚现象严重，引起应力集中，使得拉伸强度下降。因此，当竹粉的添加量为30%时，此时PP基竹塑复合材料的拉伸性能最佳［8］。由图1同样可知，PP基竹塑复合材料的弯曲强度随竹粉用量增加表现为先增大后降低，当竹粉用量为40%，PP基竹塑复合材料弯曲强度达到最大值为45.28 MPa。当竹粉用量较低时，连续相的聚合物分子与分散相的竹纤维相互接触、交叉和缠绕，促使材料的弯曲强度逐渐提高。随着竹粉用量的增加，PP基竹塑复合材料中的应力集中点增多，使材料传递能力减弱，致使弯曲强度迅速降低。竹粉用量为30%复合材料的弯曲强度为44.78 MPa，与最大的弯曲强度相差不大，综合考虑在竹粉用量为30%的基础上考察有机蒙脱土、硅烷偶联剂及Mapp含量对PP基竹塑复合材料的冲击强度的影响。

在竹粉用量为30%的基础上考察有机蒙脱土、硅烷偶联剂及Mapp用量对PP基竹塑复合材料的拉伸强度的影响。由图2可知，当有机蒙脱土量低于6%时，试样的拉伸强度随着有机蒙脱土用量的增加而增大，当添加量＞6%时，试样拉伸强度明显下降，这可能是因为当有机蒙脱土用量较低时，其较易分散在PP中，当添加量超过6%时，有机蒙脱土易团聚，影响竹粉与PP之间的界面结合强度［9］，反而使PP基竹塑复合材料的拉伸强度降低［10］。图2还可以看出，PP基竹塑复合材料的弯曲强度随着有机蒙脱土用量的增加也表现为先增大后下降，当有机蒙脱土用量为6%时，PP基竹塑复合材料的弯曲强度达到最大值，此后，呈下降趋势，这是可能是由于当有机蒙脱土的用量较低时，较容易分散，有机蒙脱土量增加，则较易团聚，致使PP基竹塑复合材料的弯曲强度降低。

图1　竹粉用量对PP基竹塑复合材料拉伸强度及弯曲强度的影响

图2　有机蒙脱土用量对PP基竹塑复合材料拉伸及弯曲强度的影响

由图3可知，增加硅烷偶联剂KH-550含量，PP基竹塑复合材料的力学性能先增大后减小的趋势，当KH-550的添加为0.8%时，PP基竹塑复合材料的拉伸强度达到26.50 MPa，为最大值。由此可知，KH-550添加量为0.8%时，此时，界面之间的结合最强，当受到外力作用时，界面仍将外力均匀地传递给增强纤维纤维，促使外力在增强纤维之间得到有效的缓冲，因此复合材料的力学性能提高。但是，如果偶联剂用量太少，就不能很好的包裹竹粉表面，不能形成单分子层，起不到良好改性作用；当用量过多时，过量的硅烷偶联剂易聚集在界面区域，形成弱界面层，反而导致复合体系中界面结构不均匀，界面的结合程度变差，因此导致材料拉伸强度反而下降。由图同样可以知，偶联剂用量为1.2%，PP基竹塑复合材料的的弯曲强度最大，这说明偶联剂用量为1.2%时，能够很好的改善竹粉与PP界面之间的相容性，使外力在增强纤维之间得到有效地缓冲，故PP基竹塑复合材料的力学性能提高［11］。

由图4可知，添加了Mapp的复合材料拉伸强度及弯曲强度明显的好于其他3种试样，这是由于Mapp中的马来酸酐能与有机蒙脱土及竹粉表面的-OH基团发生反应，增强与PP基体的相容性，从而提高PP基竹塑复合材料的力学性能。

图3　KH-550用量对PP基竹塑复合材料拉伸及弯曲强度的影响

图4　Mapp用量对PP基竹塑复合材料拉伸及弯曲强度影响

2.1.2冲击强度

图5为仅添加竹粉的复合材料的冲击强度，由图5可知，竹粉用量增加，复合材料冲击强度总体是下降。这是可能因为竹粉加入，提高了PP的模量，受到外力冲击，PP基体发生塑性变形的能力下降，致使材料吸收冲击能量的能力降低。在竹粉用量为30%的基础上考察有机蒙脱土、硅烷偶联剂及Mapp用量对复合材料的冲击强度的影响。由图6可知，当有机蒙脱土用量超过4%时，复合材料冲击强度明显下降，这可能是因为有机蒙脱土是纳米级的，容易团聚一起，从而影响了竹粉与PP之间界面结合的效果，从而降低了复合材料的冲击强度［7］。

图5　竹粉用量对PP基竹塑复合材料冲击强度影响

图6　有机蒙脱土用量对PP基竹塑复合材料冲击强度影响

由图7可以看出，PP基竹塑复合材料冲击强度随着KH-550用量增加呈现出先增大后降低的趋势，当KH-550的用量为1.0%时，冲击强度达到最大值，此后开始下降，这说明硅烷偶联剂用量为1%时，能够很好的改善竹粉与PP界面之间的相容性，使外力竹纤维之间得到有效地在缓冲，因此复合材料的力学性能提高［9］。如图8所示，PP基竹塑复合材料的冲击强度明显的优于前三者，这说明Mapp能够明显的改善无机粒子、有机粒子与PP基体之间的相容性，使其结合得更紧密。

图7　KH-550用量对PP基竹塑复合材料冲击强度影响

图8　Mapp用量对PP基竹塑复合材料冲击强度影响

2.2PP基竹塑复合材料的断面形貌分析

图9是PP基竹塑复合材料的冲击断面形貌。图9（a）为仅添加竹粉的PP基竹塑复合材料放大150倍的电镜照片，可以看出竹粉与PP基体的两相界面清晰，结合不紧密，竹粉纤维易抽出，表明竹粉与PP基体相互作用力小，相容性差，在冲击过程中，竹粉传递应力能力较差，竹粉纤维易从PP基体中分离，此复合材料表现为力学性能较差。图9（b）为加入偶联剂和有机蒙脱土的复合材料放大150倍的电镜照片，由图9（b）可知，加入KH-550及有机蒙脱土改性的竹塑复合材料，竹粉与有机蒙脱土较为均匀分散在PP中，说明界面间相容性得到一定改善，但两相间的结合不是很强，外力作用下，断面显得粗糙不平整，竹粉及有机蒙脱土与PP界面层间出现裂缝。图9（c）为经Mapp与有机蒙脱土改性的竹塑复合材料放大4000倍断面形貌，可以看出竹粉纤维被包埋在PP基体中，两者之间的结合也变得很紧密，没有明显的相界面，而且已经观察不到竹粉纤维被拔出后留下的 “空穴”，OMMT以纳米级分散在PP基体中，说明Mapp能够明显改善了竹粉、OMMT与PP三者之间的界面相容性，增强了结合力，使复合材料的力学性能得到显著改善，这与力学性能测试的结果一致。

图9　复合材料冲击断面SEM图

2.3PP基竹塑复合材料热性能

从图10可以看出竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料在0～100℃之间没有失重峰，说明复合材料吸水率较低。PP基竹塑复合材料的热失重有两个失重过程，第一阶段热失重发生在200～420℃，为竹粉热降解造成的，第二阶段热失重发生在420～520℃，是由于PP热降解造成的。当温度查过520℃时，所有试样都基本不再失重，这阶段主要是因为碳化的竹粉热降解后的残渣。由图10结合表1可知添加30%竹粉的复合材料分别在失重20%，50%及80%的温度比其他3个样品来的低。添加了偶联剂的复合材料在50%及80%时的失重温度比添加有机蒙脱土和Mapp的低，与30%竹粉+ PP的失重温度相差不大。这是说明加入偶联剂KH-550不能提高复合材料的热性能。加入OMMT改性的复合材料失重温度比其他样品在的热失重温度都来得高，这说明，有机膨润土能够显著提高PP基竹塑复合材料的热性能［12］。

图10　PP基竹塑复合材料的TG图

表1　PP基竹塑复合材料的热分解数据

3　结论

（1）竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料的力学性能随着竹粉用量及有机蒙脱土用量的增加呈现出先增加后降低的趋势，竹粉用量为30～40份时，有机蒙脱土用量为6份时复合材料的力学性能较好。

（2）分别采用硅烷偶联剂KH-550和聚丙烯接枝马来酸酐来对竹粉/有机蒙脱土/聚丙烯复合材料进行改性，复合材料的力学性能显著得到提高，复合材料的界面之间的相容性也得到明显改善。

（3）TG分析表明有机蒙脱土能够显著改善竹粉/PP基复合材料的热性能，硅烷偶联剂不能提高PP竹塑复合材料的热稳定性，Mapp只能在一定程度上提高复合材料的热稳定性。

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（责任编辑：朱联九）

Preparation and Properties of Polypropyle-ne/Bamboo Flour/Organic-Montmorillonite Composites

DONG Yan，SU Tuan，XIE Gui-xiang，WEN De-cai

Bamboo flour reinforced polypropylene（PP）composites were prepared by extrusion method.The samples were made by injection process，the mechanical properties and thermal properties were tested.Fracture surfaces were tested by scanning electron microscopy to investigate failure mechanisms morphology.The results showed that better properties can be obtained when the bamboo flour was 30%，content of organ-montmorillonite was 6%，content of silane coupling agent was 1%and content of grafting MAH onto PP was 10%.

bamboo flour；polypropylene；silane coupling agent；grafting MAH onto PP；mechanical property；thermal property

TQ325.14

A

1673-4343（2016）02-0027-06

10.14098/j.cn35-1288/z.2016.02.006

2016-01-14

福建省教育厅项目（JA14301，JB10168）；福建省龙岩市科技局项目（2015LY24）

董雁，女，福建长汀人，讲师。主要研究方向：高分子功能材料。