红麻粉/聚丙烯复合材料性能研究*

易 路 杨建平 郁崇文,3

1. 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 东华大学信息学院，上海 201620；3. 东华大学纺织面料技术教育部重点试验室，上海 201620



红麻粉/聚丙烯复合材料性能研究*

易 路1杨建平2郁崇文1,3

1. 东华大学纺织学院，上海 201620；2. 东华大学信息学院，上海 201620；3. 东华大学纺织面料技术教育部重点试验室，上海 201620

以聚丙烯(PP)为基体，选用两种红麻粉[包括红麻韧皮粉(KB)、红麻芯秆粉(KS)]分别作为填料，采用双螺杆挤出共混造粒及模压成型方法制备红麻粉/聚丙烯复合材料，测试了复合材料的力学性能并观察其微观结构，分析了KB与KS的含量对复合材料的力学性能的影响，以及采用硅烷偶联剂进行改性处理对红麻粉与聚丙烯基体之间的相容性的影响。结果表明：随着红麻粉含量的增加，复合材料的拉伸性能逐渐下降，弯曲强度则逐渐增加；当红麻粉质量分数达到20%时，KB/PP和KS/PP两种复合材料的弯曲强度都出现最大值，分别为41.33、39.29 MPa；红麻粉质量分数由5%增加到25%，复合材料的拉伸模量和弯曲模量不断增加，冲击强度则出现下降；采用硅烷偶联剂进行改性处理可以有效地改善红麻粉与聚丙烯基体之间的相容性。

红麻粉，共混造粒，聚丙烯，复合材料，力学性能

近年来，天然纤维素纤维/聚合物复合材料作为一种物美价廉的绿色材料，受到了人们越来越多的青睐，并且已广泛应用于国内外多种行业，例如汽车行业、建筑业、运输业、航空业等，它能有效减轻材料自重、降低成本[1]。目前，关于苎麻、亚麻等纤维在复合材料方面的应用已有大量的研究，而对于红麻的研究则较少[2]。

红麻是一种耐瘠薄土地、气候适应性强、投入少但产出多的经济作物，在我国的种植区域广。因此，我国有着丰富的红麻原料资源，如果能开发红麻复合材料，既可以缓解原料短缺，又能降低生产成本，为麻类的综合应用开发新的途径[3]。

在复合材料的开发领域，与其他植物纤维相比，红麻纤维具有密度小及结晶度、取向度、弹性模量较高等特点[4]，很适合加入聚合物树脂，作为复合材料的增强材料。聚丙烯是一种热塑性树脂，不仅有综合力学性能优、耐腐蚀、无毒性和价格指数低等优良特性，还具有热固性树脂所不具备的可重复加工和使用的特点，有利于环保[5]。

本文旨在探讨将红麻作物的韧皮和芯秆应用于制备复合材料的新型领域，并测试复合材料的力学性能。这对于拓宽麻类作物的应用领域有极大的现实意义，并有助于降低聚合物的使用量，进一步倡导可持续发展战略。

1 试验部分

1.1 主要原料

聚丙烯，熔融指数36 g/(10 min)，密度0.9 g/cm3，熔点165 ℃，埃克森美孚公司；红麻粉，研磨成120目，浙江省萧山区农业科学技术研究所；硅烷偶联剂，乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)，国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇，分析纯，上海云丽经贸有限公司；醋酸，分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司。

1.2 试验设备和仪器

本试验使用的试验设备和仪器见表1。

表1 试验设备和仪器

1.3 红麻粉/聚丙烯复合材料的制备

1.3.1 麻粉表面改性

将一定质量的红麻韧皮粉(KB)和红麻芯秆粉(KS)分别加入到装有质量分数为95%的乙醇水溶液的三口烧瓶中，进行水浴恒温加热并搅拌，温度为60 ℃；30 min后，用醋酸将溶液体系的pH值调节至3～4，并加入一定质量的硅烷偶联剂A-171(其用量为麻粉质量的1%～2%)；2 h后，将两种麻粉悬浮液分别过滤、干燥，即得到改性麻皮粉和改性麻秆粉。

1.3.2 共混造粒

用天平称取上述制得的改性麻皮粉和聚丙烯(PP)颗粒，其中麻皮粉质量分别占麻皮粉和聚丙烯颗粒总质量的5%、10%、15%、20%、25%；同理，称取相应质量分数的改性麻秆粉和聚丙烯颗粒。将称好的改性麻皮粉、改性麻秆粉和聚丙烯颗粒在110 ℃下干燥2 h，然后使用双锥微型混炼仪进行共混造粒(混炼仪工作参数为加工温度195 ℃、压强30～45 MPa、主机转速160 r/min)，得到改性KS/PP、改性KB/PP共混粒子。

1.3.3 模压成型制备复合材料

将制得的改性KS/PP、改性KB/PP共混粒子及聚丙烯颗粒分别均匀放入模具中(图1)，再将模具放在铺有脱膜纸的铁板上，再盖上另一块铺有脱膜纸的铁板，然后放到平板硫化机上进行热压。平板硫化机的上加热板和下加热板的温度均设置为195 ℃。 热压前预热5 min，然后设置加压压强为3 MPa 进行热压，保压时间为10 min；热压结束后进行冷压，冷压时间为3 min；最后从模具中取出试样，即得到红麻粉/聚丙烯复合材料。

1—平板硫化机加热板；2—铁板；3—脱膜纸；4—模具图1 制备复合材料的加工示意

1.4 测试

将不同质量分数的改性KB/PP、改性KS/PP复合材料及纯聚丙烯材料进行拉伸、弯曲和冲击性能测试，并利用扫描电镜进行观察。

1.4.1 拉伸性能

拉伸性能测试按照GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行，其试样尺寸如图2所示。采用电子万能试验机进行测试，夹持距离为115.0 mm，加载速度为10 mm/min，对每一种材料分别做5个拉伸试样。

图2 拉伸试样尺寸示意(单位：mm)

1.4.2 弯曲性能

弯曲性能测试按照GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》进行，其试样尺寸为80.0 mm×10.0 mm×4.0 mm(长×宽×高)。采用电子万能试验机进行测试，其测试装置如图3所示，隔距设置为64.0 mm，试验速度为2 mm/min，对每一种材料分别做5个弯曲试样。

1.4.3 冲击性能

冲击性能测试按照GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》进行。采用无缺口冲击试验，其试样尺寸和弯曲试样相同，为80.0 mm×10.0 mm×4.0 mm(长×宽×高)。使用悬臂梁冲击试验机进行测试，夹具、试样和冲击刃安装如图4所示，其中，试样中部被夹于夹具之间，上端露出夹具表面(40.0±0.2)mm，冲击刃距离夹具表面(22.0±0.2)mm，摆锤冲击速度为2.9 m/s，对每一种材料分别做5个冲击试样。

L—试样长度；h—试样厚度；R—加载上压头圆角半径；l—跨距；r—支座圆角半径；P—载荷；1—试样支架；2—加载上压头；3—试样 图3 弯曲性能测试装置示意

1—冲击刃；2—夹具棱圆角；3—与试样接触的夹具面；4—固定夹具；5—活动夹具；6—试样；7—夹具表面 图4 夹具、试样和冲击刃安装示意(单位：mm)

1.4.4 扫描电镜(SEM)观察

采用日本立式TM3000型扫描电镜。取拉伸性能测试中的试样断裂截面，制成5.0 mm×2.0 mm的样品并粘于载物台上，经真空溅射镀金后进行观察，加速电压10 kV。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

纯聚丙烯及改性KB/PP、改性KS/PP复合材料的拉伸性能测试结果如表2所示。

表2 纯聚丙烯及改性KB/PP、改性KS/PP复合材料的拉伸性能测试结果

注：KB/PP表示红麻韧皮粉/聚丙烯复合材料；KS/PP表示红麻芯秆粉/聚丙烯复合材料

由表2的测试结果可以看出，随着红麻粉质量分数的增加，复合材料的拉伸强度逐渐减小，其中红麻粉质量分数为25%时，改性KB/PP、改性KS/PP复合材料的拉伸强度分别比纯聚丙烯材料下降了35%和40%左右。一方面，可能是红麻粉的含量增加导致其分散性变差、聚集现象加剧，由此引起的应力集中和产生缺陷的概率变大，使得复合材料的拉伸强度下降；另一方面，可能是红麻粉的加入打破了聚丙烯分子排列的规整性，从而不利于复合材料的拉伸强度。从表2还可以看出复合材料的拉伸模量不断增加、断裂伸长率不断减小，这说明复合材料的刚性不断增强，红麻粉在聚丙烯基体中起到了应力集中的作用[6]，而且应力集中导致其断裂伸长率下降。

2.2 弯曲性能

随着红麻粉质量分数的增加，复合材料的弯曲强度都逐渐上升，如图5所示。当红麻粉的质量分数达到20%时，改性KB/PP和改性KS/PP复合材料的弯曲强度都出现最大值，分别为41.33、39.29 MPa。而且，当红麻粉的质量分数为10%及以上时，改性KB/PP复合材料的弯曲强度开始显著大于改性KS/PP 复合材料。这是由于麻皮的韧性强于麻秆，且麻皮比较质密，而麻秆是中空结构，因此后者的力学性能不如前者。

图5 不同质量分数的红麻粉/聚丙烯复合材料的弯曲强度

复合材料的弯曲模量也随着红麻粉质量分数的增加而不断增加，如图6所示。这表明红麻粉的加入使得其与聚丙烯的复合材料的弯曲刚度有一定提高。

图6 不同质量分数的红麻粉/聚丙烯复合材料的弯曲模量

图7 不同质量分数的红麻粉/聚丙烯复合材料的冲击强度

2.3 冲击性能

图7为红麻粉质量分数与红麻粉/聚丙烯复合材料的冲击强度的关系。由图7可以看出，红麻粉/聚丙烯复合材料的冲击强度呈现下降趋势，且改性KB/PP复合材料的冲击强度大于改性KS/PP复合材料，这是由于麻皮的密度大于麻秆，相同质量分数下，麻秆占据聚丙烯基体的体积大，导致弱节增加，改性KS/PP复合材料的冲击性能弱于改性KB/PP复合材料。当红麻粉质量分数由5%增加到25%时，改性KB/PP、改性KS/PP复合材料的冲击强度分别由20.30、17.23 kJ/m2下降为11.32、10.56 kJ/m2。一方面，可能是红麻粉起到了应力集中的作用，使材料变脆，冲击强度降低，这点从文献[6]中可以得到支持；另一方面，随着红麻皮或红麻秆的质量分数增加，红麻粉逐渐占据基体的体积，而聚丙烯的含量不足以包覆所有红麻粉表面，因此，红麻粉和聚丙烯的黏结性降低，使得复合材料的冲击强度下降。

2.4 扫描电镜观察结果

图8为纯聚丙烯材料的拉伸断裂面SEM照片，可以看出，纯聚丙烯材料的拉伸断裂面表面光滑，属于脆性断裂，断裂面上几乎没有塑性变形，只有很小的起伏，这与文献[7]的结论一致。

图8 纯聚丙烯材料的拉伸断裂面SEM照片

图9为红麻粉/聚丙烯复合材料的拉伸断裂面SEM照片。从图中(a)和(b)可以看出，经过偶联剂处理的KB和KS与PP之间的黏结性较好，相容性也较好，分散得比较均匀，复合材料的断裂面比较粗糙。而从图中(c)和(d)可以看出，未经过改性处理的红麻粉与聚丙烯之间的相容性较差，出现了空隙，聚丙烯基体与红麻粉之间的界面清晰，界面结合较差，表明两者的黏结性较弱，纤维的抽拔较为容易。这表明以硅烷偶联剂对红麻粉进行处理能有效改善红麻粉和聚丙烯基体之间的相容性，提高两者的界面黏结性。文献[8]研究表明，硅烷偶联剂处理麻纤维可以极大地改善天然植物纤维与塑料的相容性，提高天然植物纤维增强塑料复合材料的物理力学性能。

(a) 经偶联剂处理的改性KB/PP复合材料

(b) 经偶联剂处理的改性KS/PP复合材料

(c) 未经偶联剂处理的改性KB/PP复合材料

(d) 未经偶联剂处理的改性KS/PP复合材料

3 结论

(1) 随着红麻粉质量分数的增加，红麻粉/聚丙烯复合材料的拉伸强度、冲击强度、断裂伸长率逐渐下降，其弯曲强度、弯曲模量和拉伸模量不断增加。

(2) 改性KB/PP复合材料的力学性能优于改性KS/PP复合材料，这主要由麻皮和麻秆结构的差异所导致。

(3) 采用硅烷偶联剂对红麻粉进行改性处理能有效改善红麻粉与聚丙烯基体之间的相容性，提高两者的界面黏结性。

[1] 盛旭敏, 徐梁, 李又兵, 等. 聚丙烯/红麻纤维复合材料性能的研究[J]. 塑料科技, 2011, 39(9): 53-56.

[2] NISHINO T, HIRAO K, KOTERA M, et al. Kenaf reinforced biodegradable composite[J]. Composites Science & Technology, 2003, 63(9): 1281-1286.

[3] 郑来久.红麻韧皮纤维生物酶脱胶改性研究[D].上海:东华大学,2007.

[4] 李婷婷.HIPS/红麻纤维复合材料性能研究[D].大连:大连工业大学,2013.

[5] 刘丽妍,黄故.亚麻/聚丙烯机织复合材料薄板的制备与研究[J].玻璃钢/复合材料,2005(5): 17-19.

[6] 穆寄林,刘俊劭,赵升云.聚丙烯/木粉复合材料的制备及其力学性能的研究[J].塑料科技,2012, 40(12)：65-68.

[7] 孙强,黄关葆.聚丙烯/无机粉体/异形纤维复合材料的制备[J].中国塑料,2012,26(4): 54-60.

[8] 李新功,吴义强,郑霞,等.偶联剂在改善天然植物纤维/塑料界面相容性的应用[J].高分子通报,2010(1): 7-10.

Research on kenaf powders/polypropylene composites’ properties

YiLu1，YangJianping2，YuChongwen1,3

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. College of Information, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

Choosing polypropylene(PP) as the matrix, and two kinds of kenaf powders including kenaf bast powder (KB) and kenaf stalk powder (KS) as the filler respectively, kenaf powders/polypropylene composites were prepared by twin-screw blending extruder and moulding process. The mechanical properties of the composites were tested and the micro structure of the composites were observed. The effects of the content of KB and that of KS on the mechanical properties of the composites, as well as the effects of the modification treatment by means of silane coupling agents on the compatibility between the kenaf powder and PP matrix, were analyzed. The results showed that, with the increasing content of kenaf powder, the tensile properties of the composites gradually decreased, but the flexural tenacity gradually increased; when the weight content of kenaf powder was up to 20%, the flexural strength of the KB/PP and that of the KS/PP composites both reached a maximum value at 41.33 and 39.29 MPa respectively; with the weight content of kenaf powder ranging from 5% to 25%, the tensile modulus and flexural modulus of the composites both increased, and however, the impact strength reduced; the modification treatment by means of silane coupling agents could effectively improve the compatibility between the kenaf powder and PP matrix.

kenaf powder，blending extruder，polypropylene，composite，mechanical property

2016-05-31

易路，男，1992年生，在读硕士研究生，研究方向为

郁崇文，E-mail: yucw@dhu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)10-0015-06

*国家麻类产业技术体系建设专项资金(CARS-19)

红麻粉/聚丙烯复合材料性能