改性纤维素纳米纤维增强聚乙烯树脂复合材料的研发

改性纤维素纳米纤维增强聚乙烯树脂复合材料的研发

近年来，纤维素纳米纤维（CNF）作为可再生新材料引人注目。该文介绍了日本最近研发的改性CNF增强聚乙烯（PE）树脂复合材料，以及改性CNF增强PE的注射成形条件和获得的试验片的力学性能和结晶配向性关系的研究结果。

1 前言

近年来，纤维素纳米纤维（CNF）作为可再生新材料引人注目，在黏度调节剂、涂料、电子/包装材料等多种用途方面，进行了以实用化为目的的开发。日本开发了能提高与聚乙烯（PE）界面黏结强度的疏水改性CNF，并用作与PE复合的材料，大大提高了其力学性能。用透射电子显微镜（TEM）观察通过注射成形制成的试验片时，观察到了在射出方向PE的扩展链和CNF的串状延伸，薄片在其周围形成的串晶结构。由此推测，改性CNF不仅有助于本身的物理性能及其界面黏结强度，还有助于对PE配向状态的控制，具有优异的力学性能。一般来说，PE等结晶性高分子置于剪切场中，会取得串晶结构，同时，剪切状态极大地影响了成形时的条件。

本文介绍了最近研发的改性CNF增强PE复合材料，以及改性CNF强化PE的注射成形条件和获得的试验片的力学性能及结晶配向性的关系的研究结果。

2 实验

2.1 样本制作

改性纤维素和高密度PE以17∶83的质量比混合后用双辊挤出混练机（螺旋直径15 mm，L/D=45，转速200 r/min，混练温度140℃）进行混练，作为改性CNF/PE复合材料颗粒使用。

获得的颗粒投入到注射成形机中（气缸温度140～160℃，金属模具温度40℃），制成哑铃状试样。

2.2 评价方法

力学性能：通过哑铃状试样的抗张强度测试进行评价。

结构观察：将哑铃状试样切成20 μm厚的薄片，同时使用了灵敏色板（530 nm）的偏光显微镜（测定）的光学延迟量评价。

剪切黏度：通过毛细管曲线测定。

3 结果

3.1 注射条件对抗张强度的影响

为了确认注射成形机的填充速度和气缸温度对哑铃状试片强度的影响，图1比较了在表1所示条件下的力学性能（抗张强度，弹性率）。

图1 力学性能评价结果

表1 注射成形条件

由表1和图1可以看出：改性CNF复合材料（试样2）的力学性能明显比纯PE材料（试样1）提高；金属模具的填充速度从 1．5 mL/s降低到 0．8 mL/s后的试样3的力学性能进一步提高；试样4将气缸温度从160℃降低到140℃，并再次将填充速度提高到1．5 mL/s，其强度变成与试样2大体相同；将气缸温度降低到140℃，填充速度降低到0．8 mL/s的试样5显示出复合材料中最优良的力学性能。

3.2 注射成形的偏光显微镜观察

为调查其原因，测定了试样的结晶取向性。对哑铃状试样片进行了偏光显微镜观察，比较了试样的延迟量。所谓延迟就是将多屈折体中的2束光线的偏差换算成在空气中的距离的数值，晶体长得越大数值越大。试样的延迟量如图2所示。

图2 试样的延迟量

由图2可见：纯PE材料（试样1）的外壳部（皮层）的延迟量常常比内部（芯层）大，而改性CNF复合材料（试样2和试样4）的芯层与皮层一样延迟量都较大；机械性能最优的试样5的延迟量最大。这说明，与纯PE材料相比，这些试样在更深的内部形成了串晶构造。

3.3 熔融黏度和流动性

通过比较延迟量，观察到力学性能优良的试样的结晶集中在射出方向上配向。而且，CNF复合材料中射出速度低，气缸温度低的试样其力学性能最优。为了确认其原因和注射成形时材料所受剪切力的关系，用毛细管曲线求出了温度在140～160℃条件下的改性CNF/PE复合材料的剪切速度和黏度的关系，如图3所示。

由图3可见，剪切速度越高黏度越小，并且在剪切场中温度降低时的黏度差变小。

4 总结

试样的机械性能随填充速度的低速化和气缸温度的低温化而提高，试样内部结晶的配向性更强。但是，过去的研究曾报告在剪切量（剪切速度和剪切时间的乘积）固定的条件下，强剪切速度加短时间比弱剪切速度加长剪切时间更能使结晶结构长大，但有意思的是，本研究结果显示低剪切速度的结晶配向更加强烈。

图3 CNF/PE复合材料的剪切速度与黏度的关系

CNF强化材料的物理性能随成形条件的不同而不同，并且因模具厚度、形状、通道（spool）、浇口（gate）和形状等不同而不同，可以说用实际的模具无法评价或不能准确评价，需要进一步解析物理性能形成的详细原因。

（杜伟民 编译）

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（李振远）