芳纶布增强HDPE基木塑复合材料的制备及其拉伸性能研究

2022-01-13马一越王耀武刘昱君郝琛韬刘希艳党艺旋

合成纤维工业 2021年6期

马一越，王耀武，刘昱君，郝琛韬，刘希艳，党艺旋

(西安工程大学协同创新中心，陕西西安710048)

木塑复合材料是近年兴起的一种新型复合材料。将木纤维或植物组分充分混合后和热塑性塑料按照一定比例加工后得到增强改性热塑性材料即为木塑复合材料，其中植物组分主要包含有木粉、植物纤维、果壳等材料[1]。传统的木塑复合材料的基材为高密度聚乙烯(HDPE)和木质纤维，决定了其自身具有塑料和木材的某些特性。对HDPE基木塑复合材料来说，木纤维中主要含有纤维素和木质素等，且含有亲水性的官能团如羟基和酚羟基[2]。但是聚烯烃类的树脂属于不亲水性的非极性树脂，木粉与聚烯烃类树脂复合得到的材料在力学性能上有所欠缺[3]。针对传统的木塑复合材料的一些缺点，如强度和韧性不够等，可以采取添加纤维的方法进行增强，常用的增强纤维有玻璃纤维、碳纤维、芳纶等。但由于成本及工艺等其他问题，通常向传统的木塑复合材料中添加芳纶。芳纶是现在复合材料中应用极为广泛的一种纤维，其具有高比模量、高比强度及较低的密度等优点[4]。

因其化学惰性,芳纶与基体的界面结合不够强，国内外在芳纶表面处理这方面做了许多的研究，但是由于工艺等问题，实际应用的却不多。作者首先制备了HDPE基木塑复合材料，探讨了木粉用量及不同偶联剂对复合材料拉伸性能的影响；然后通过添加芳纶布制备了芳纶布增强HDPE基木塑复合材料，探讨了芳纶布添加量对复合材料拉伸性能的影响。

1 实验

1.1 主要原料

HDPE：中国石化齐鲁石化公司产；木粉：木材加工厂提供；马来酸酐改性聚丙烯(MA-PP)、硬脂酸、液体石蜡、钛酸脂偶联剂：北京化学试剂公司产；硅烷偶联剂：南京曙光化工集团产；芳纶布：东莞市索维特特殊线带有限公司产。

1.2 主要设备及仪器

SHR-10A 型高速混合机：北京塑料机械厂制；SJSH30双螺杆挤出机：南京橡胶机械厂制；SK-160开放式炼塑机、QLB-50平板硫化机：上海双翼橡塑机械有限公司制；CTM2200微机控制电子万能材料试验机：协强仪器制造(上海)有限公司制；DHG-9625A干燥箱：上海一恒科技有限公司制。

1.3 HDPE基木塑复合材料的制备

将木粉在80 ℃左右的干燥箱中放置3 h进行干燥处理，并进行偶联剂处理，在HDPE树脂中分别加入质量分数为0，3%，4%，5%，6%的木粉，将HDPE树脂、木粉均匀混合，得到的颗粒混合料经160 ℃双辊塑炼机塑化5 min均化并成黏流态，然后将其按照模具的大小进行拉片，拉片后放到模具中，并用平板硫化机在240 ℃、16 MPa条件下压制成复合材料的试件。

1.4 芳纶布增强HDPE基木塑复合材料的制备

首先将HDPE、木粉、MA-PP、液体石蜡、硬脂酸按质量比为55:40:3:1:1在高速混料机中混合；再将螺杆挤出机提前预热，螺杆各区温度设定为150，160，160，165，165，160，150 ℃，螺杆转速为28 r/min，将混合后的材料经过双螺杆挤出机造粒；得到的颗粒料经160 ℃双辊塑炼机均匀塑化5 min并成黏流态，然后将其按照模具的大小进行拉片，拉片后放到模具中，再将芳纶布按照尺寸裁剪好放到模具中，并用平板硫化机在240 ℃、16 MPa条件下压制成复合材料的试件，试件中芳纶布质量分数分别为0，1%，2%，3%。

1.5 拉伸性能测试

将复合材料放入注塑机中，并根据注塑机调整合适的温度大约为140 ℃，将其注塑压力保持4.9 MPa稳定4 h后，制得复合材料测试样条，按GB 50608—2010《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》测试复合材料的拉伸强度和拉伸模量，测试样长度150 mm，宽度20 mm，厚度2 mm，拉伸速度10 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 木粉用量对复合材料拉伸性能的影响

从图1可以看出：当使用的其他材料相同时，HDPE基木塑复合材料的拉伸强度随着木粉用量的增加而降低；在不加木粉的情况下，HDPE复合材料的拉伸强度达14.15 MPa；当加入的木粉质量分数达3%时，复合材料的拉伸强度大幅降低至6.12 MPa，继续增加木粉用量，复合材料的拉伸强度变化不大。

图1 木粉用量对复合材料拉伸强度的影响

这是因为向树脂中加入木粉时，随着木粉增多，木粉会以较大的尺寸分散在HDPE中，使木粉聚集在一起，不能均匀分散，使复合材料有更大概率产生缺陷等情况[5]，所以其拉伸强度会降低。

2.2 偶联剂对复合材料拉伸性能的影响

将HDPE 与木粉按质量比50∶50混合，木粉分别被硅烷偶联剂和钛酸脂偶联剂处理，偶联剂质量分数为2%(相对木粉质量)。从表1可以看出，与未用偶联剂处理木粉相比，使用硅烷偶联剂和钛酸脂偶联剂处理木粉所得复合材料的拉伸强度均有所提高，且使用硅烷偶联剂所得复合材料的拉伸强度达6.83 MPa，相比未用偶联剂处理木粉所得复合材料(拉伸强度4.57 MPa)提高49.45%。这是因为在硅烷偶联剂中含有能够与木粉中的羟基(—OH)发生反应的硅烷氧基(—SiOR)及与树脂发生反应的碳链，这样便使木粉与HDPE之间的结合更加牢固[6]，具有更好的界面性能，从而提高复合材料的拉伸强度。

表1 偶联剂对复合材料拉伸强度的影响

2.3 芳纶布增强HDPE基木塑复合材料的拉伸性能

从图2可以看出：在未添加芳纶布时，复合材料的拉伸强度为20.56 MPa；随着芳纶布添加量增加，复合材料的拉伸强度逐步提高，当复合材料中芳纶布质量分数分别为1%，2%，3%时，复合材料的拉伸强度分别为40.53，47.74，54.52 MPa，相比于未添加芳纶布的复合材料的拉伸强度分别提高了97.13%，132.19%，165.28%。

图2 芳纶布添加量对HDPE基木塑复合材料拉伸强度的影响

因为随着芳纶布的加入，复合材料在拉升过程中的拉伸应力会通过界面剪切从基体传递到芳纶布，能够有效减少纤维束脱黏的现象，从而提高复合材料的拉伸强度[8]。

从图3可看出：未添加芳纶布时，HDPE基木塑复合材料的拉伸模量为1.25 GPa；随芳纶布添加量的增加，复合材料的拉伸模量也随之增加，当添加芳纶布质量分数分别为1%，2%，3%时，复合材料的拉伸模量分别达2.12，2.15，2.24 GPa，与未添加芳纶布的复合材料相比，分别提高了69.6%，72.0%，79.2%。这是因为复合材料在拉伸过程中大部分载荷被芳纶布分担，而芳纶布具有较高的模量也起到了一定的作用，随芳纶布的增加复合材料的拉伸强度和拉伸模量也会随之提高[8]。