芦苇/玄武岩纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究

李智佳，任庆龙，夏 英，张锋锋，丛世杰

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)



芦苇/玄武岩纤维增强PP/EVA复合材料力学性能的研究

李智佳，任庆龙，夏 英*，张锋锋，丛世杰

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

利用双辊开炼机将芦苇纤维(L)、玄武岩纤维(X)与聚丙烯(PP)、聚醋酸乙烯酯(EVA)进行熔融共混，制备了PP/EVA/L/X复合材料；通过碱处理L，硫酸/硅烷偶联剂联合处理X，得到改性芦苇纤维(AL)和改性玄武岩纤维(SSiX)，同样方法制得PP/EVA/AL/SSiX复合材料；研究了2种纤维复配质量比对复合材料力学性能的影响，分析了复合材料的微观结构与形貌。结果表明：当L与X复配质量比为1:5时，PP/EVA/L/X复合材料的综合力学性能较好；与PP/EVA复合材料相比，AL与SSiX质量比为1:5时，PP/EVA/AL/SSiX复合材料的拉伸强度提高了10.67 MPa，弯曲强度提高了11.38 MPa，但冲击强度有所下降，加工流动性也有所下降；PP/EVA/AL/SSiX复合材料的力学性能优于PP/EVA/L/X复合材料。

聚丙烯 聚醋酸乙烯酯 玄武岩纤维 芦苇纤维 共混改性 复合材料 力学性能

聚丙烯(PP)是一种通用塑料，具有密度小、原料来源丰富、价格低廉、化学稳定性好、性价比高、易于回收利用和加工成型等优点。但其也具有一些缺点，例如低温韧性差、不耐老化、尺寸收缩率大、冲击性能差等[1]，这些限制了其在工程塑料和结构材料方面的应用。通常将PP与一定量的橡胶类弹性体进行混合来提高其韧性[2-6]，如乙丙橡胶(EPR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等，虽然这在一定程度上提高了PP的韧性，但是加入的弹性体不可避免地会降低PP的模量和强度。

芦苇纤维(L)是纤维素含量较高的一年生草本植物，具有质量轻、价格便宜、密度小、比强度高、对设备磨损小以及可再生降解等优点，越来越受到人们的重视。通过采用L制备热塑性树脂/纤维复合材料，不仅可显著降低生产成本，而且对环境保护也具有一定的意义。因此，L是一种具有良好应用前景的新型环保结构材料[7-8]。

玄武岩纤维(X)是一种性能优异的新型环保材料，因具有优良的力学性能和耐化学腐蚀性、低吸湿、吸音、隔热、耐高温等优势，使其跻身于新型高性能纤维的行列。随着技术的发展，X作为一种高强度无机矿物纤维，在不久的将来有可能部分代替价格昂贵的碳纤维。目前，X作为增强材料在热塑性[9-11]和热固性[12-14]树脂基复合材料方面的应用研究报道较多，但是把L和X复配增强复合材料的研究却没有报道。因此，作者采用双辊开炼机将L，X与PP、聚醋酸乙烯酯(EVA)进行熔融共混，制备了PP/EVA/L/X复合材料。研究了L与X复配比例对PP/EVA复合材料力学性能的影响，同时也分析了复合材料的微观结构与形貌。

1 实验

1.1 原料

PP：牌号J340，盘锦华锦乙烯有限责任公司产；EVA：醋酸乙烯质量分数18%，东莞市鸿君塑胶原料有限公司产；L，X：短切3 mm，海宁安捷复合材料有限责任公司产；硅烷偶联剂KH-550：南京道宁化工有限公司产；氢氧化钠(NaOH)：分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司产；甲酸：分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司产；浓硫酸(H2SO4)：天津市瑞金特化学品有限公司产。

1.2 设备

SK-160B双辊开炼机：160 mm×320 mm，上海思南橡胶机械有限公司制；202-00A电热干燥箱及FW100高速万能粉碎机：天津市泰斯特仪器有限公司制；RGT-5微机控制电子万能机：深圳市瑞格尔仪器有限公司制；XRZ-400熔融指数仪：吉林大学仪器厂制；QLB-50D/Q平板硫化机：江苏无锡市中凯橡塑机械有限公司制；HY-W万能制样机：河北省承德试验机厂制；RXJ-50液晶显示冲击试验机：深圳市瑞格尔仪器有限公司制；JSM-6460LV扫描电镜(SEM)：日本电子公司制；Zeiss Mikroskop Axiopla型偏光显微镜(POM) ：德国蔡司光学仪器公司制。

1.3 试样制备

1.3.1 L的碱处理

配制一定质量浓度的NaOH溶液，按照1 mL NaOH溶液中加入0.2 g的L，在一定温度下处理一定时间，处理完成后抽滤。首先采用甲酸溶液(质量分数为3%)洗除残留NaOH，然后再用去离子水洗涤3次，得到碱处理芦苇纤维(AL)，并在100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8 h备用。

1.3.2 H2SO4/KH-550联合处理X

配制浓度为1mol/L的硫酸溶液，将X按5 g/mL加入配好的硫酸溶液中，于80 ℃反应2 h，反应结束后抽滤，洗涤干燥。再采用一定浓度的KH-550溶液对酸处理后的X进行表面处理，得到改性玄武岩纤维(SSiX)，并在100 ℃鼓风干燥箱中干燥8 h备用。

1.3.3 复合材料的制备

将未改性纤维和改性纤维分别与PP，EVA混合，PP/EVA混合物与纤维的质量比7:3(其中PP:EVA质量比4:1)，然后于(180±2)℃双辊开炼机上混炼8 min，混炼均匀后下片，在温度为(180±3)℃、压力为15 MPa的平板硫化机上热压5 min，热压完成后再在15 MPa下进行冷压20 min得到样板，裁成标准样以备测试。

1.4 性能测试

弯曲强度：按GB/T 9341—2008测试，弯曲速率为2 mm/min。

拉伸强度：按GB/T 6344—2008测试，拉伸速率为50 mm/min。

悬臂梁缺口冲击强度：按GB/T 1943—2007 测试。

加工流动性能：按照GB/T 3682—2008测试，试样在一定温度的平板硫化机上被压制成薄片，然后剪成碎片加入料筒，测试温度为230 ℃，负载为2.16 kg。

断面形态：按GB/T 16594—2008测试，测试试样经过液氮冷冻脆断后，断口表面进行喷金处理，再经扩大不同的倍数进行断面形态分析，放大倍数为1 000。

结晶形态；将少量试样置于载玻片上，然后在加热台上进行熔融并压成薄片，冷却30 min后观察其结晶后的形态，放大倍数为200。

2 结果与讨论

2.1 L与X复配质量比

从表1可以看出：当纤维L与X的复配质量比由(1:1)～(1:4)变化时，复合材料弯曲强度一直增大，拉伸强度和冲击强度则呈现不同程度的降低趋势；当纤维L与X的复配质量比为1:5时，复合材料的拉伸强度达到最大值；当纤维L与X的复配质量比由(2:1)～(5:1)变化时，复合材料的拉伸强度和弯曲强度明显降低，这主要是由于L的增强作用明显低于X，且2种未改性纤维表面与树脂的相容性较差，导致复合材料的综合力学强度降低。

表1 L与X的复配质量比对PP/EVA复合材料力学性能的影响

Tab.1 Effect of L/X mass ratio on mechanical properties of PP/EVA composite

LX质量比拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kJ·m-2)1124．9728．777．491221．6830．224．471323．0330．485．651422．6931．725．481526．7032．377．671623．1633．545．422123．9232．616．363122．9631．805．834121．8130．757．815119．7429．684．42

从表1还可发现，随着复配纤维中X用量的增大，复合材料的冲击强度呈现先增大后降低的趋势，在L:X复配质量比为1:5时，冲击强度达到最大值。综合考虑复合材料的力学性能，确定纤维L:X复配质量比为1:5时较适宜。

2.2 AL与SSiX复配质量比

从表2可以看出，L和X复配对PP/EVA复合材料起到了增强作用，其中AL和SSiX复配对PP/EVA复合材料的增强效果最为突出，拉伸强度较PP/EVA复合材料提高了10.67 MPa，弯曲强度较 PP/EVA复合材料提高了11.38 MPa，但冲击强度下降较多。这主要是因为改性后的纤维表面极性降低，表面变得粗糙，增加了其与基体PP/EVA之间的相容性，增加了界面粘结力，从而使复合材料在受到外界应力时，与未改性纤维相比，改性纤维能够形成有效的二维交错网状结构，这有利于缓解局部应力，因此PP/EVA复合材料的综合力学性能得到一定程度的提高。

表2 AL与SSiX质量比对PP/EVA复合材料力学性能的影响

Tab.2 Effect of mass ratio of AL and SSiX on mechanical properties of PP/EVA composite

复合材料纤维复配质量比拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kJ·m-2)PP23．5331．4114．8PP/EVA17．9622．2152．8PP/EVA/L/X1526．7032．377．7PP/EVA/AL/SSiX1528．6333．597．6

由表3可知，与PP/EVA复合材料相比，添加纤维增强的PP/EVA复合材料的加工流动性均有所降低。这是因为：一方面未改性的L和X表面极性较强，不易与基体树脂发生缠结，相容性较差，因此与PP/EVA复合材料相比，加工流动性有所降低；另一方面，虽然改性纤维与基体树脂的相容性变得较好，但是改性纤维破坏树脂连续性的作用大于取向作用，因此复合材料熔体流动指数有所降低。

表3 AL与SSiX质量比对PP/EVA复合材料加工性能的影响

Tab.3 Effect of mass ratio of AL and SSiX on process performance of PP/EVA composite

复合材料纤维复配质量比熔体流动指数(10min)/gPP1．16PP/EVA3．04PP/EVA/L/X152．36PP/EVA/AL/SSiX152．05

2.3 纤维增强PP/EVA复合材料的SEM分析

由图1a可知：复合材料截面中出现不规则束状即为L，表面光滑的圆柱状纤维即为X；未改性纤维进行复配时，复合材料截面上清晰可见纤维剥离后产生的孔洞和沟槽，X表面光滑，被大量拔出，且拔出长度较长，L呈束状聚集，因此对复合材料的增强效果并不明显。从图1b可以看出：复合材料的截面中几乎无孔洞结构出现，SSiX拔出长度变小，且大部分纤维被树脂包裹，说明经表面改性后的SSiX与基体的相容性增加，复配纤维对PP/EVA复合材料的增强作用得到发挥；但是AL分散性仍然较差，从图1b中左侧可见部分AL团聚在一起，这主要由于AL原纤化，使纤维变得更细小，较难在基体中分散均匀。

图1 纤维增强PP/EVA复合材料的SEM照片Fig.1 SEM images of fiber-reinforced PP/EVA composite纤维复配质量比L:X及AL:SSiX均为1:5。

2.4 纤维增强PP/EVA复合材料的POM分析

由图2a可知，基体中L和X周边的晶粒边界模糊不清，而L和X分布较少的区域球晶尺寸较大，这主要因为未改性纤维与树脂的相容性较差，未改性纤维在基体中的分布不均，从而导致复合材料各处应对外界应力的承受能力不同，从而导致未改性纤维对PP/EVA复合材料的增强效果不那么明显。图2b中可清晰地观察到小球晶的边界，球晶大小均匀，大多数都是均匀分布于AL和SSiX的两侧，且改性纤维在树脂中的分散也更均匀。因此，PP/EVA/AL/SSiX复合材料的力学性能优于PP/EVA/L/X复合材料。

图2 纤维增强PP/EVA复合材料的POM照片Fig.2 POM images of fiber-reinforced PP/EVA composite纤维复配质量比L:X及AL:SSiX均为1:5。

3 结论

a. L和X复配对PP/EVA复合材料有增强作用，当L和X纤维复配质量比为1:5时，PP/EVA/L/X复合材料的综合力学性能较佳。

b. 与PP/EVA复合材料相比，AL和SSiX复配对PP/EVA复合材料的增强效果最为突出。当AL:SSiX复配质量比为1:5时，改性纤维增强PP/EVA复合材料的拉伸强度提高了10.67 MPa，弯曲强度提高了11.38 MPa，但冲击强度下降较多。

c. 与PP/EVA复合材料相比，当AL:SSiX复配质量比为1:5时，PP/EVA/AL/SSiX复合材料的熔体流动指数为每10 min 2.05 g，其加工流动性有所降低。

[1] 郑水林. 粉体表面改性[M]. 北京:中国建材工业出版社, 2004:60-116.

Zheng Shuilin.Surface modification of powder[M].Beijing:China Building Material Industry Publishing House,2004:60-116.

[2] Tam W H, Cheuang T, Li R K Y. An Investigation on the impact fracture characteristics of EPR toughened polypropylene[J]. Polym Test, 1996,15(4):363-379.

[3] Meligi G, Yoshii F, Sasaki T, et al. Accelerated degradablity of polypropylene by blended rubber[J]. Polym Degrad Stab, 1997,57(3):241-246.

[4] Sun Yishi, Zhang Zengmin, Fu Zengli. Toughening mechanisms of polypropylene blended by elastomer[J]. Acta Polym Sin, 1995,1(1):82-87.

[5] Arroyo M, Zitzumbo R, Avalos F. Composites based on PP/EPDM blended and aramid short fibers. morphology/behaviour relationship[J]. Polymer, 2000, 41(16): 6 351-6 359.

[6] Yu Zhongzhen, Lei Ming, Ou Yuchun, et al. Study on Compatibilization and toughening of a copolyester with a maleated thermoplastic elastomer[J]. Polymer, 2002,43(25):6 393-7 001.

[7] 崔艺华, 周叶青. 木纤维增强热塑性复合材料界面研究现状[J]. 纤维复合材料, 2006, 23(1): 53-57.

Cui Yihua, Zhou Yeqing. Interface study on wood fiber reinforced thermoplastic composites[J]. Fiber Compos, 2006, 23(1): 53-57.

[8] Kraiem D, Pimbert S, Ayadi A, et al. Effect of low content reed (phragmite australis) fibers on the mechanicalproperties of recycled HDPE composites[J]. Composites, 2013,44(1):368-374.

[9] Czigány T, Vad J, Poloskei K. Basalt fiber as a reinforcement of polymer composites[J]. Period Polytech Mech Eng, 2005,49(1):3-14.

[10] Ronkay F, Czigány T. Development of composites with recycled PET matrix [J]. Polym Adv Tech, 2006, 17(9/10): 830-834.

[11] Czigány T. Special manufacturing and characteristics of basalt fiber reinforced hybrid polypropylene composites:mechanical properties and acoustic emission study[J]. Compos Sci Tech, 2006,66(16):3 210-3 220.

[12] Oztürk S. The effect of fibre content on the mechanical properties of hemp and basalt fibre reinforced phenol formaldehyde composites[J]. J Mater Sci, 2005,40(17):4 585-4 592.

[13] Czigány T, Poloskei K, Karger-Kocsis J. Fracture and failure behavior of basalt fiber mat-reinforced vinylester /epoxy hybrid resins as a function of resin composition and fiber surface treatment[J]. J Mater Sci, 2005,40(21):5 609-5 618.

[14] Wang Mingchao, Zhang Zuoguang, Li Yubin, et al. Chemical durability and mechanical properties of alkali-proof basalt fiber and its reinforced epoxy composites[J]. J Reinf Plast Compos, 2008,27(4):393-407.

Mechanical properties of reed/basalt fiber-reinforced PP/EVA composite

Li Zhijia, Ren Qinglong, Xia Ying, Zhang Fengfeng, Cong Shijie

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034)

A polypropylene/polyvinyl acetate/reed/basalt (PP/EVA/L/X) composite was prepared by melt blending L fiber, X fiber, PP and EVA on a two-roller mill. A modified reed (AL) fiber and a modified basalt (SSiX) fiber were obtained by treating L in a basic solution and X with a sulfuric acid-silane coupling agent. A PP/EVA/AL/SSiX composite was prepared by the same process. The effect of the compound ratio of two fibers on the mechanical properties of the composites was studied. The microstructure and morphology of the composites were analyzed. The results showed that PP/EVA/L/X composite had fairly good comprehensive properties as the mass ratio of L and X was 1:5; as compared with PP/EVA composite, PP/EVA/AL/SSiX composite showed an increase of 10.67 MPa in tensile strength and 11.38 MPa in bending strength, but some decrease in impact strength and processing flowability as the mass ratio of AL and SSiX was 1:5; PP/EVA/AL/SSiX composite was better than PP/EVA/L/X composite in the mechanical properties.

polypropylene; polyvinyl acetate；basalt fiber; reed fiber; blend modification; composite; mechanical properties

2016- 06-25； 修改稿收到日期：2016- 09-28。

李智佳(1992—)，女，硕士研究生，主要从事塑料的加工与改性以及复合材料的制备。E-mail：403837430@qq.com。

* 通讯联系人。E-mail：Xiaying961@163.com。

TQ343+.4

A

1001- 0041(2016)06- 0039- 04