弹性体对废弃聚苯乙烯/生物质复合材料性能的影响

2018-04-08张伟明,夏英,张馨月,李智佳,丛世杰

大连工业大学学报 2018年2期

张伟明,　夏　英,　张馨月,　李智佳,　丛世杰

( 大连工业大学纺织与材料工程学院, 辽宁大连　116034 )

0　引　言

为保护自然环境、节约资源，有必要合理高效地将一些废弃生物质资源，如芦苇、秸秆、花生壳等转化为高品质清洁能源或高附加值产品[1]。生物质纤维具有来源广、无污染、可再生等优点[2-3]。然而大量的生物质纤维通常被焚烧处理，既污染了生态环境，又使生物质材料无法得到有效的利用[4-5]。

聚苯乙烯具有电绝缘性好、耐腐蚀性和透明性好，易成型出各种透明、色彩鲜艳、表面光亮的制品等优点，但是聚苯乙烯泡沫多为一次性使用制品，使用后不易降解，对环境造成了大量白色污染[6-7]。

本研究通过对复合材料力学和加工性能的比较，优化出生物质纤维的种类和纤维用量。为了使复合材料具有更高的韧性，向废弃PS/生物质复合材料中加入橡胶弹性体SEBS和EPDM，并比较了两者对复合材料力学性能和热稳定性能的影响，期望制备出一种可在建筑、装饰、园艺等领域有良好应用的废弃PS/生物质复合材料。

1　试　验

1.1　主要原料

废弃PS泡沫，实验室回收；芦苇纤维(纤维素45.2%)，新疆博湖苇叶股份有限公司；秸秆纤维(纤维素39.6%)，正阳县一帆秸秆综合利用专业合作社；花生壳纤维(纤维素16.9%)，海门市青禾杂粮专业合作社；氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)YH-502，岳阳巴陵华兴石化有限公司；三元乙丙橡胶(EPDM)，杭州绿谷橡塑制品有限公司。

1.2　试验方法

1.2.1原料预处理

采用高速粉碎机将生物质纤维粉碎成100目左右的短纤维，然后将纤维于100 ℃数显鼓风干燥箱中烘干3 h。

将弹性体SEBS、EPDM室温下在双辊塑炼机上进行薄通。

1.2.2废弃PS/生物质复合材料的制备

使用双辊塑炼机将处理后的芦苇纤维、秸秆纤维、花生壳纤维分别与废弃PS进行熔融混炼，通过选择芦苇纤维和废弃PS质量比为30∶50时制备废弃PS/生物质复合材料来优化生物质纤维种类。按照芦苇纤维和废弃PS质量比分别为0∶50、10∶50、20∶50、30∶50、40∶50和50∶50在双辊塑炼机混炼，探讨废弃PS/生物质复合材料的综合性能较佳时的纤维用量。

1.3　性能测试

利用日本电子公司JSM-6460LV型扫描电子显微镜，观察复合材料的微观形态,试样经过液氮冷冻脆断后，断口表面进行喷金处理，再经扩大倍数进行断面形态分析；复合材料拉伸性能测试按照GB/T 1040—2006标准，拉伸速率为50 mm/min；弯曲性能测试按照GB/T 9341—2008标准，测试速度为2 mm/min；悬臂梁缺口冲击性能测试按照GB/T 1943—2007标准；加工流动性能测试按照GB/T 3682—2008标准; 测试温度230 ℃，负载2.16 kg。利用德国NETZSCH公司TG209型热重分析仪测试复合材料的热稳定性。

2　结果与讨论

2.1　生物质纤维种类对废弃PS/生物质复合材料力学性能的影响

由表1可以看出，当芦苇与PS质量比为30∶50 时，废弃PS/芦苇复合材料的拉伸强度均高于花生壳和秸秆复合材料，分别提高了71.9%、39.7%；弯曲强度分别提高了78.5%、51.7%，表明芦苇纤维对复合材料的增强作用最明显。不仅如此，废弃PS/芦苇复合材料的冲击强度均高于花生壳和秸秆复合材料，分别提高了10.9%、29.1%，表明芦苇对复合材料具有良好的增韧效果。因此，生物质纤维种类确定为芦苇纤维。

表1不同生物质纤维对废弃PS/生物质复合材料力学性能的影响

Tab.1Effects of different biomass fibers on the mechanical properties of waste PS/biomass composites

复合材料拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kJ·m-2)废弃PS/芦苇15.7339.966.2废弃PS/花生壳9.1522.395.6废弃PS/秸秆11.2626.344.8注:m(生物质)∶m(PS)=30∶50。

2.2　芦苇纤维用量对废弃PS/芦苇纤维复合材料力学性能的影响

由表2可以看出，随着芦苇纤维用量的增加，复合材料的力学强度整体呈先增大后减小的趋势。当芦苇与PS质量比为30∶50时，拉伸强度和弯曲强度增加最明显。不仅如此，当芦苇与PS质量比为30∶50时，复合材料的冲击强度最大，表明芦苇纤维对复合材料有一定的增韧作用。主要归结为:当芦苇与PS质量比小于30∶50时，随着芦苇纤维用量的增加，树脂对纤维浸润面积增大，能够有效地传递应力，纤维与树脂黏结力增加，从而使复合材料力学性能提升。而芦苇与PS质量比大于30∶50时，由于纤维与树脂接触面积过大，致使纤维无法被树脂充分浸润，破坏了树脂的连续性，由纤维与树脂的孔隙增速较快造成的界面黏结性能变差的幅度大于纤维的增强效果，致使复合材料的力学性能下降。因此，芦苇与PS质量比为30∶50时复合材料的力学性能最优。

表2废弃PS/芦苇纤维复合材料力学性能测试数据

Tab.2Test data of mechanical properties of waste PS/reed fiber composites

m(芦苇)∶m(PS)拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kJ·m-2)0∶5014.5237.975.210∶5014.7636.153.520∶5014.9236.284.630∶5015.7339.976.140∶5013.8735.933.650∶5013.0131.703.2

2.3　芦苇纤维用量对废弃PS/生物质复合材料加工性能的影响

图1是随芦苇纤维含量的增加，废弃PS/生物质复合材料熔融指数(MI)的变化趋势。可以看出，随着芦苇纤维用量的增加，复合材料的MI逐渐降低，且均低于未添加芦苇纤维的复合材料。主要归结于芦苇短纤维的加入会阻碍基体分子链的运动，使得复合材料的MI降低，通常随着芦苇短纤维用量的提高，纤维在基体中也不易分散均匀，会进一步增加分子链运动时与纤维的摩擦，使材料的MI不断减小。当芦苇与PS质量比为30∶50 时，复合材料的力学性能最好，熔体流动性下降较小，且生产成本较低。

图1芦苇纤维用量对废弃PS/生物质复合材料熔融指数的影响

Fig.1Effect of reed fiber content on the melt index of waste PS/biomass composites

2.4　弹性体对废弃PS/芦苇纤维复合材料力学性能影响

在废弃PS/芦苇纤维复合材料制备的基础上，为了提高复合材料的韧性，分别向体系中加入橡胶弹性体SEBS和EPDM，芦苇与PS质量比为30∶10。表3反映了弹性体对废弃PS/芦苇纤维复合材料力学性能的影响。加入的弹性体会消耗外力能量，抑制破坏性断裂，使复合材料的冲击强度提高。SEBS因其结构与PS相似，增加了SEBS与树脂的相容性，对复合材料冲击韧性贡献较大。尽管弹性体的加入使复合材料的拉伸强度和弯曲强度有所降低，但是SEBS与复合材料的界面作用力强，且结构存在刚性基团，使复合材料的拉伸强度和弯曲强度下降较小。因此，SEBS弹性体更有利于复合材料力学性能的提升。

表3弹性体对废弃PS/芦苇纤维复合材料力学性能的影响

Tab.3Effect of elastomer on the mechanical properties of waste PS/reed fiber composites

复合材料拉伸强度/MPa弯曲强度/MPa冲击强度/(kJ·m-2)废弃PS/芦苇15.7339.976.1废弃PS/芦苇/SEBS14.9737.848.3废弃PS/芦苇/SEBS14.7736.926.5

2.5　弹性体对废弃PS/芦苇纤维复合材料微观形貌的影响

由图2(a)可见，未加入弹性体时，复合材料的断面存在着明显的芦苇纤维，且芦苇表面较光滑，与废弃PS树脂界面很清晰，说明芦苇纤维与树脂的相容性很差。由图2(b)可见，加入弹性体EPDM后，复合材料的断面结构发生了变化，芦苇纤维表面包裹树脂较多，与废弃PS树脂界面较为模糊。由图2(c)可见，添加弹性体SEBS后，芦苇纤维表面完全被树脂包裹，与废弃PS树脂界面非常模糊，出现韧性断裂，进一步表明了由于SEBS与PS结构相似，增加了SEBS与基体的相容性，从而明显提高复合材料的韧性。

2.6　弹性体对废弃PS/芦苇纤维复合材料热稳定性能的影响

图3反映了弹性体对废弃PS/芦苇复合材料热稳定性能的影响。由图3(a)的TG曲线可以看出，与废弃PS/芦苇复合材料相比，体系中加入弹性体SEBS、EPDM后，初始分解温度变化较小，最大分解温度分别提高了2.76%和2.57%，500 ℃的残炭率分别提高了109%和3.99%。结合图3(b)DTG曲线可进一步发现，与废弃PS/芦苇复合材料相比，体系中加入弹性体SEBS、EPDM 后，复合材料的最大分解速率分别下降了0.44%/℃和0.34%/℃，表明了弹性体有利于提高废弃PS/芦苇复合材料的高温热稳定性。废弃PS/芦苇/SEBS复合材料的最大分解温度提高了2.57%，500 ℃的残炭率提高了108.88%。最大分解速率下降了0.1%/℃。因此，SEBS对复合材料的高温热稳定性提升更明显。