MCC填充PP的工艺探究

侯人月，贺 燕，左继承，李成吾

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



MCC填充PP的工艺探究

侯人月，贺 燕，左继承，李成吾

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

主要研究MCC的填充量，PVA的用量及偶联剂的用量对复合材料力学性能的影响，比较经分散剂处理前后MCC的分散情况，并利用扫描电镜观察复合材料断面的微观结构。研究结果表明，MCC最大填充量为10%；MCC/PP复合材料加入PVA后，分散性更好，PVA用量为3%时，复合材料拉伸强度较好；硅烷偶联剂用量为1.5%时，复合材料的拉伸性能较好；铝酸酯偶联剂用量为1.5%时，复合材料的抗冲击性能较好。

微晶纤维素；聚丙烯；复合材料；力学性能

聚丙烯塑料(PP)是一种通用高分子材料，在日常生活中广泛应用，但它在自然界中难于降解，给环境造成了巨大的污染。目前处理聚丙烯废弃物的方法以填埋和焚烧为主，填埋占用宝贵的土地资源，而焚烧则对空气环境造成严重污染[1]。而微晶纤维素(MCC)是一种天然高分子，在自然条件下可以自然降解，因此利用MCC填充PP。由于MCC羟基和碳氧键的存在极性很强，而PP极性较弱，两者混合时界面作用力很小，且在填充时容易聚团，造成材料内存在缺陷，从而影响了材料的力学性能[2]。本实验采用加入高分子分散剂PVA和偶联剂来改善MCC的填充效果，使其力学性能得到提高[3-4]。

1 实验部分

1.1 实验原料

微晶纤维素(MCC)(AR，国药集团化学试剂有限公司)、聚丙烯(PP)(AR，辽宁华锦化工有限责任公司)、聚乙烯醇(PVA)(AR，国药集团化学试剂有限公司)、硅烷偶联剂KH550(AR，上海浦东化学有限公司)、铝酸酯偶联剂(AR，济南奇云剑化工公司)、聚乙烯蜡(AR，沈阳新光化工厂)。

1.2 实验仪器及设备

转矩流变仪，LH60，上海科创橡塑机械厂设备有限公司；平板硫化机，QLB400×2型，郑州大众机械制造有限公司；偏光显微镜，XPR-300C，上海豫光仪器有限公司；扫描电镜，S-3400N，日本日立公司；微机控制电子万能试验机，RGJ-10，四川瑞格尔仪器有限公司；冲击试验机，XTU-22，承德大华试验机有限公司。

1.3 PVA改性MCC的制备

称取相对于MCC质量2%～6%的PVA，放入适量去离子水中，在300r/min下搅拌并水浴加热至90℃，完全溶解后停止加热，再将称好的一定质量的纤维素放入配好的PVA溶液中搅拌30min后抽滤，在105℃的真空干燥箱中烘干2h，封袋备用。

1.4 偶联剂改性PVA/MCC的制备

分别取相对于MCC质量1%～3%的硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂放入60mL的无水乙醇中进行搅拌，搅拌均匀后，再加入一定质量的微晶纤维素，搅拌30min，倒入表面皿中自然风干后，120℃再干燥2h。

1.5 MCC/PP复合材料的制备

处理前后的MCC分别与PP同时加入到转矩流变仪中进行熔融共混，然后在平板硫化机上热压成型,制成标准样条。

1.6 性能测试与表征

用RGJ-10型万能试验机按国标GB/T1040-1992对材料的拉伸性能进行测试。

用XTU-22型冲击试验机对材料的冲击性能进行测试，每组制备三个试样，结果取平均值。

用扫描电子显微镜观察复合材料拉伸断口的微观结构。

2 实验结果与讨论

2.1 MCC填充量对复合材料力学性能的影响

MCC填充量分别为总质量的10%、20%、30%、40%、50%，研究填充量对复合材料力学性能的影响，并与纯PP进行比较。

图1 微晶纤维素填充量对复合材料力学性能的影响

图1a为MCC含量对复合材料拉伸强度的影响。由图1a可看出，随着共混体系中MCC含量的增加，样条的拉伸强度明显下降。这是因为MCC与PP的相容性较差，随着MCC含量的增加，其在PP基体中的分散越来越困难，团聚现象严重，使MCC相尺寸增大，导致拉伸强度下降。当填充量为10%时，复合材料的拉伸强度与纯PP的拉伸强度相差较小。

图1b为MCC含量对复合材料冲击强度的影响。由图1b可看出，复合材料的冲击强度随MCC含量的增加逐渐下降，当MCC填充量大于30%时，材料冲击强度下降显著，因为MCC分散困难，团聚现象严重，致使材料的缺陷变多，脆性增加。从实验过程看，10%～50%也能填充进去，但填充到50%以上，材料表面会有裸露的MCC，综合物理性能考虑，选择填充量为10%较合适。

2.2 用PVA处理MCC前后分散性的变化

图2为经PVA改性前后的MCC和复合材料放大40倍的偏光显微镜图。

由图2a、2b可以看出,用PVA改性后的MCC分散效果明显改善。图2c中黑色填料与白色基体分别形成了聚集的体系，说明填充的MCC明显团聚；而图2d中白色基体和黑色填料分布很

均匀，说明团聚的MCC明显减少，因此用PVA改性后的MCC分散性明显增加，且PVA用量越多，分散性越好，但是PVA用量过多会影响材料的力学性能。

图2 经PVA改性前后的MCC和复合材料放大40倍的

2.3 PVA的用量对复合材料力学性能的影响

PVA的用量为MCC质量的2%、3%、4%、5%，研究PVA用量对复合材料力学性能的影响。

图3 PVA的用量对复合材料力学性能影响

图3为PVA的用量对复合材料力学性能的影响：随着PVA用量的增加，拉伸强度先增加后减小并平缓，在3%时材料拉伸强度达到最大；图3b为PVA的用量对复合材料冲击强度的影响：复合材料的冲击强度先减小后增加，在4%时达到最小值。

由图3可以看出，当PVA用量为3%时，拉伸强度虽然达到最大值，但抗冲击强度却明显下降，这是因为短棒状的MCC在基体中呈无规分布，MCC受力后取向，从而使材料拉伸强度上升而抗冲击强度下降；当PVA用量大于4%时抗冲击强度上升的原因可能是PVA用量过度，使其在MCC分子表面形成多分子层结构，这些分子之间通过范德华力连接，受力后多分子容易被破坏，然而在冲击的条件下可以吸收冲击的能量，所以材料的冲击强度增大。综合考虑，选用PVA用量为3%时处理MCC较合适。

2.4 偶联剂种类及其用量对PP/MCC复合材料力学性能的影响

用PVA处理后的MCC分别与1%、1.5%、2%、2.5%、3%的硅烷偶联剂和铝酸酯偶联剂以醇溶液为载体进行改性[5-6]，研究偶联剂的用量对复合材料力学性能的影响。

图4 偶联剂种类及其用量对复合材料力学性能的影响

图4a为偶联剂用量对复合材料拉伸强度的影响，由图4a可知，经硅烷偶联剂处理后的MCC填充的复合材料的拉伸强度先增大后减小，极大值出现在1.5%；铝酸酯偶联剂处理MCC填充复合材料的拉伸性能改善并不明显。但是硅烷偶联剂处理的MCC填充复合材料的抗冲击强度先增加后减小，在2%处出现极大值；铝酸酯偶联剂处理MCC填充的复合材料则相对稳定，在2%出现极小值，以后则随偶联剂用量增加，材料的抗冲击强度增加。

如图4可知，若提高材料的拉伸强度，则选用硅烷偶联剂，处理MCC时用量在1.5%较为合适；若提高材料的抗冲击性能，则选用铝酸酯偶联剂处理MCC填充材料较合适，用量选1.5%较好；既想提高材料的拉伸强度又想提高材料的冲击强度，则采用硅烷偶联剂处理MCC，并且用量在2%较合适。

图5是复合材料拉伸断面的SEM图，图5a是加铝酸酯偶联剂的复合材料，5b是加硅烷偶联剂的复合材料。

图5 复合材料断面SEM图

从图5可以看出，图5a是脆性断裂，断裂面是层状，且有许多圆形孔，说明MCC和铝酸酯偶联剂的结合不好，MCC的填入起到了杂质的作用，使复合材料的拉伸应力分布不均匀；5b图是韧性断裂，断裂面高低起伏并均一，断面基本没有圆孔，说明MCC和硅烷偶联剂结合效果较好，使复合材料的拉伸应力分布均匀。从而得出加硅烷偶联剂改性后的复合材料，MCC与聚丙烯相容性更好。

3 结论

(1)未经处理的MCC与PP填充，随着MCC填充量的增加，复合材料的力学性能明显变差。

(2)用PVA分散剂处理MCC后，使MCC的分散性变好，分散剂的用量越多，分散性越好，综合考虑，分散剂用量3%较合适。

(3)用硅烷偶联剂改性的复合材料拉伸性能好，用铝酸酯改性的复合材料抗冲击性能好；硅烷偶联剂为2%时改性MCC后，材料取得最佳综合性能。

(4)由SEM图看出，在不同偶联剂改性的条件下，PP/MCC复合材料的界面结合力不同，由此可知在复合材料不同性能的要求下采用不同的偶联剂改性。

[1]赵婷婷,王建华,梁书恩,等.淀粉/微晶纤维素填充聚氨酯泡沫塑料的制备与力学性能[J].化工新型材料,2009,37(6):34-35.

[2]袁新恒,张隐西,张祥福.废报纸粉填充聚丙烯材料的研究[J].塑料工业,1999(1):60-63.

[3]傅和青,汤风,黄洪,等.聚丙烯填充改性研究进展[J].化工矿物与加工,2004(1):5-9.

[4]胡智华,傅和青.聚丙烯填充改性[J].化工新型材料,2005,33(5):60-64.

[5]张志坚,花蕾,李焕兴,等.硅烷偶联剂在玻纤增强复合材料领域中的应用[J].玻璃纤维,2013,3(12):11-21.

[6]卓存诚,卓家明.铝酸醋偶联剂在塑料复合材料中的应用[J].塑料工业,1995(5):30-32.

(责任编辑：马金发)

Study on the Process of MCC Filled PP

HOU Renyue，HE Yan， ZUO Jicheng，LI Chengwu

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

The influence of the filling content of MCC,and the content of PVA and that of silane coupling agent to mechanical property of composite are mainly discussed.The dispersion of MCC are compared before the treatment of dispersing agent and after the treatment of the dispersing agent,and the surface structure of the composite is observed with scanning electron microscope(SEM).The result shows,the loading of MCC is 10wt%,after adding PVA to the MCC/PP composite,the MCC has a better dispersion and when the additive amount of PVA is 3wt%,the composite presents a better tensile strength.When the additive amount of silane coupling agent is 1.5wt%,the composite also presents a better tensile strength.And while the additive amount of aluminate coupling agent is 1.5wt%,the composite presents a better impact resistance.

MCC;polypropylene;composite;mechanical properties

2015-11-04

沈阳市科技局项目(F15-173-6-00)

侯人月(1989—)，女，硕士研究生；通讯作者：贺燕(1961—)，女， 教授， 博士。研究方向： 固体废弃物的再利用。

1003-1251(2016)05-0064-04

TB383

A