松香基分散剂对聚丙烯木塑材料性能的影响

2019-01-10夏江奇张作才李裕琪卢李勤陆绍荣

现代塑料加工应用 2018年6期

夏江奇张作才李裕琪卢李勤陆绍荣*

(1.桂林理工大学材料科学与工程学院,广西桂林,541004;2.桂林舒康建材有限公司,广西桂林,542508)

木塑复合材料是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料,指利用聚乙烯、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯等,代替通常的树脂胶黏剂,与木粉、稻壳、秸秆等废植物纤维混合成新的木质材料,再经挤压、模压、注射成型等塑料加工工艺,生产出的板材或型材，主要用于建材、家具、物流包装等行业[1]。剑麻纤维素微晶(MCF)具有强度大、模量高、耐低温及耐腐蚀等特点,是木塑复合材料中一种较理想的增强材料[2]。但因MCF表面含有较多羟基,亲水性强,与非极性聚合物制成的复合材料界面相容性差,限制了其应用领域[3]。通常在共混体系中添加偶联剂、增容剂[4]、分散剂[5]等可有效地提高纤维与聚合物基的界面相容性。

下面采用自制的松香基分散剂来改性PP/MCF复合材料,探讨了松香基分散剂对复合材料的力学性能、热性能的影响,以及松香基分散剂在PP/MCF复合体系中的增容机理。

1 试验部分

1.1 试验原料及设备

剑麻纤维(SF),广西剑麻集团公司;聚丙烯,PPT30S,湖南长盛石化有限公司;松香(工业级),桂林兴松林化公司;轻质碳酸钙,桂林金山化工有限公司。

高速混合机,DG120型,浙江瑞安春海药材器械厂;同向双螺杆挤出机,TLE16-40型,泰国Labtech;微型螺杆机,WLG10G型,上海新硕精密机械有限公司;微型注塑机,WZS10D型,上海新硕精密机械有限公司;傅里叶红外光谱仪,Nicolet 470型,美国Nicolet公司;摆锤冲击试验机,JC-25型,承德精密实验机有限公司;热重分析(TG)仪, NETZSCH STA-449C型,德国NETZSCH公司;扫描电镜,JSM-6380LV型,日本JEOL公司。

1.2 RA-g-PEG的制备

将30 g的松香在氮气保护下加热至230 ℃,然后缓慢滴加与松香物质的量比为1.0∶1.1的丙烯酸,待丙烯酸全部滴完后,继续反应2 h,用酸碱滴定法测量其酸值(KOH)约275 mg/g,冷却至室温,即得松香丙烯(RA),备用。

将1.92 g RA升温至90 ℃,待RA完全熔融,加入1.0 g聚乙烯醇(PEG-1000)和0.18 g对甲苯磺酸,氮气保护下升温至130 ℃反应18 h,即得松香基超分散剂(RA-g-PEG)。

1.3 剑麻纤维素微晶的提取

取20.0 g剑麻纤维剪碎成3～5 mm,加入1.2 g氢氧化钠,150 mL无水乙醇和150 mL去离子水,机械搅拌并升温至45 ℃反应3 h。然后加入20 mL质量分数 30%双氧水,搅拌下升温至45 ℃反应3 h;再加入2.5 g硼砂室温下反应15 h后,用无水乙醇/去离子水交替洗,洗成中性,烘干,即得试验所需的剑麻纤维素微晶(MCF)。

1.4 PP/MCF复合材料的制备

分别取5份60 g聚丙烯和40 g碳酸钙粉末,各自加入10 g MCF,再分别加入质量分数为0,2%,3%,4%,5%的 RA-g-PEG用粉碎机剪切混匀,在180～200 ℃转速为30 r/m的双螺杆挤出机中挤出造粒,再经微型注塑机注塑得到PP/MCF复合材料。

1.5 结构表征及性能测试

红外光谱,通过KBr压片制样,扫描范围4 000～500 cm-1;冲击性能测试,无缺口试样,按GB/T 1043.1—2008测试;TG分析,在N2保护下进行测试,气流速度为 40 mL/min,升温速率为20 ℃/min,测试温度范围为室温到600 ℃。 SEM分析,样品断面被喷金处理,加速电压30 kV。

2 结果与讨论

2.1 RA-g-PEG的FT-IR表征及增容机理

图1 RA-g-PEG和PEG的红外分析

RA-g-PEG的增容机理为:分散剂 RA-g-PEG 中的羰基和羟基,可与 MCF表面的羟基形成氢键作用,使其牢牢吸附在 MCF表面。同时分子中的PEG柔性长链与 PP树脂相互融合、相互缠绕,使得MCF与PP树脂的界面黏结性得到增强,进而提高了复合材料的性能。

2.2 分散剂对复合材料力学性能的影响

图2为分散剂对PP/MCF复合材料的应力-应变的影响情况。由图2可知,当RA-g-PEG的含量为0时,PP/MCF复合材料的应变为4.8%;随着RA-g-PEG分散剂含量的增加,复合材料的应变也随之增加。当RA-g-PEG的质量分数为5%时,PP/MCF复合材料的应变达到165%。这表明了RA-g-PEG能提高PP相和MCF相之间的界面相容性,以及MCF在复合材料中的分散性,从而有利于复合材料的力学性能提高。

图2 PP/MCF复合材料应力-应变

图3为RA-g-PEG对PP/MCF复合材料冲击性能的影响。

由3图可见,随着RA-g-PEG用量的增加,PP/MCF复合材料的冲击强度及韧性随之增大。不添加RA-g-PEG时,PP/MCF复合材料的冲击强度为1.45 kJ/m2;当RA-g-PEG质量分数为5%时,PP/MCF复合材料的冲击强度为4.52 kJ/m2。这可能是由于RA-g-PEG分散剂与MCF形成了氢键,而PEG柔性长链与PP基体形成网状结构[6],分散剂起到了桥梁作用,增加了MCF和PP之间的界面黏合力。

2.3 分散剂对复合材料MFR的影响

表1为RA-g-PEG对PP/MCF复合材料熔体流动速率(MFR)的影响。由表1可见,随着RA-g-PEG含量的增加复合材料的MFR先增加再减少。这是因为少量RA-g-PEG可以与MCF表面的羟基形成氢键,树脂PP又可以与其分子链中的PEG柔性链相互缠绕,从而使复合材料的MFR值有所增加。但由于PEG分子的黏度较大,随着RA-g-PEG的用量增加,复合材料中PEG的含量增加从而增大了复合材料的黏度,这也导致了当分散剂质量分数超过2%时,复合材料的MFR值反而出现下降的现象,流动性能变差。

表1 MCF/PP复合材料的MFR

2.4 分散剂对复合材料热性能的影响

图4和表2为PP/MCF复合材料的TG曲线和其热性能数据。由图4可见,PP/MCF复合材料均有两个分解平台。在310～380 ℃是MFC分解造成的。剑麻纤维微晶相对于PP是小分子,容易被分解。而在380～480 ℃的分解平台则是由PP分解造成的。表2列出了PP/MCF复合材料在质量分解10%(T10%)和50%(T50%)时各组分的热分解温度及在600 ℃时的残炭率。由表2可见,添加RA-g-PEG分散剂后,PP/MCF复合材料的热分解温度都有一定程度的降低,并且随着分散剂含量的增加,温度降低的程度越大。这可能是由于RA-g-PEG分散剂中的PEG柔性长链引起的。

图4 PP/MCF复合材料的TGA曲线

表2 PP/MCF复合材料的热性能数据

2.5 分散剂对复合材料微观结构的影响

图5为PP/MCF复合材料冲击断面的SEM照片。由图5(a)可见,MCF表面粘附的PP很少,且MCF与PP之间存在因结合不紧密而产生的空隙,这说明不添加RA-g-PEG的PP/MCF复合材料中MCF与PP相容性差,在受到外力作用时,MCF容易从PP中剥离。由图5(b)看出,MCF表面包覆着较多的PP,MCF基本上被包含在PP内,且MCF与PP结合紧密,这说明MCF与PP相容性较好,PP/MCF复合材料在受到外力作用时,MCF不容易从PP中剥离。