張清鋒,呂 群＊,蔡培鑫,來國橋

(1.杭州師范大學材料與化學化工學院,浙江杭州310036;2.有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室,浙江杭州310012)

MAPE含量對PE木塑復合材料沖擊強度的影響

張清鋒1,呂 群1＊,蔡培鑫1,來國橋2

(1.杭州師范大學材料與化學化工學院,浙江杭州310036;2.有機硅化學及材料技術教育部重點實驗室,浙江杭州310012)

以高密度聚乙烯(PE-HD)和馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)共混物為塑料基體,以木粉(WF)為填料,采用壓制成型法制備了木塑復合材料。研究了MAPE含量對塑料基體和木塑復合材料沖擊強度的影響。結果表明,MAPE含量對MAPE/PE-HD塑料基體和木塑復合材料的沖擊強度影響顯著;保持MAPE和PE-HD的總含量不變時,當木粉含量為30%時,木塑復合材料的沖擊強度隨MAPE含量的增加而逐漸減小;當木粉含量為70%時,木塑復合材料的沖擊強度隨MAPE含量的增加而逐漸增大。

馬來酸酐接枝聚乙烯;高密度聚乙烯;木塑復合材料;沖擊強度

0 前言

木塑復合材料(WPC)是以廢棄木材、農(nóng)作物秸稈等經(jīng)粉碎而制成的植物纖維粉體和廢舊塑料(如聚乙烯、聚丙烯等)作為主要原料,再加入各種助劑,經(jīng)熱壓復合或熔融擠出等加工工藝制成的一種新型復合材料,其產(chǎn)品用途廣泛、使用壽命較長,是木材的良好替代品[1]。研究和開發(fā)木塑復合材料對于農(nóng)林廢棄物和廢舊塑料的綜合利用、緩解天然木材緊張的壓力具有重要的意義,近年來木塑復合材料受到了廣泛的關注。

由于植物纖維是多羥基的極性物質(zhì),而聚乙烯是非極性物質(zhì),因此,它們之間難以相容,必須加入相容劑來改善界面相容性[2-5]。MAPE是廣泛應用于聚乙烯木塑復合材料的優(yōu)良相容劑。目前,人們普遍認同相容劑MAPE可以顯著提高木塑復合材料的拉伸強度和彎曲強度,但是,其對木塑復合材料沖擊強度的影響規(guī)律還不十分清楚,認識尚不統(tǒng)一。Mohanty等[6]研究認為隨著MAPE含量增加,木塑復合材料的沖擊強度有升高的現(xiàn)象;Wang等[7]的研究認為隨著MAPE含量增加,木塑復合材料的沖擊強度變化不大,但沒有出現(xiàn)增大的跡象;而Li等[8]的研究則認為隨著MAPE含量增加,可明顯觀察到木塑復合材料的沖擊強度逐漸降低;另外,現(xiàn)有的研究報道中,MAPE含量通常都較少,一般不超過10%,因此,這些研究都只觀察到了較小范圍的MAPE含量對木塑復合材料沖擊強度的影響規(guī)律,而沒有觀察到MAPE逐漸替代全部PE-HD過程中對木塑復合材料沖擊強度的影響。總之,MAPE對木塑復合材料的沖擊強度影響規(guī)律目前尚不太清楚,因此有必要進行進一步的研究,這對于木塑復合材料新產(chǎn)品的研究與開發(fā)具有重要的意義[9]。

本文以廢舊PE-HD與馬來酸酐進行接枝反應制得MAPE,以 PE-HD和MAPE的共混物作為塑料基體,以木粉為填料,在保持配方中塑料基體總含量不變的條件下,研究了MAPE逐漸替代塑料基體中PE-HD時,塑料基體和木塑復合材料的沖擊強度的變化規(guī)律;然后改變木粉含量和塑料基體含量進行重復研究,目的在于全面地了解MAPE含量對木塑復合材料沖擊強度的影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 主要原料

楊木粉,250μm,浙江省臨安明珠竹木粉廠;

廢舊PE-HD,安徽森泰塑木新材料有限公司;

MAPE,接枝率 0.5%,自制 。

1.2 主要設備及儀器

高速混合機,SRL-Z10,江蘇聯(lián)冠科技有限公司;

平行雙螺桿擠出機,SHJ-36,南京杰恩特機電有限公司;

平板硫化機,QLB2D0125MN,上海第一橡膠機械廠;

簡支梁沖擊試驗儀,XJJ-5,承德大華試驗機有限公司;

掃描電子顯微鏡(SEM),S-3000,日本日立株式會社。

1.3 試樣制備

稱取一定量的PE-HD和MAPE,在高速混合機中混勻,加入平行雙螺桿擠出機中進行造粒,溫度為160、170、170、170 ℃,螺桿轉速 120 r/min,制得 PE-HD/MAPE共混物顆粒。稱取一定量的干木粉、共混物顆粒放入高速混合機混合均勻,用平行雙螺桿擠出機擠出塑化并造粒 ,溫度分別為 155、160、160、160 ℃,螺桿轉速為180 r/min,然后用平板硫化機壓制成型,溫度為165℃,壓力為10 MPa,熱壓時間為3 min,制得木塑復合材料,配方如表1所示。

表1 木塑復合材料的配方Tab.1 Composition of WPC

1.4 性能測試與結構表征

按GB/T 1043—1993采用簡支梁沖擊試驗機測定塑料基體的V形缺口沖擊強度和WPC的無缺口沖擊強度,測定15次取平均值;

將WPC試樣切成5 mm×10 mm×10 mm的長方形樣條,在鼓風干燥箱中于105℃干燥24 h,以消除WPC試樣內(nèi)殘留的水分。將干燥過的樣條經(jīng)沖擊折斷和斷面真空鍍金后,采用SEM進行觀察。

2 結果與討論

2.1 MAPE含量對塑料基體沖擊強度的影響

從圖1可以看出,隨著MAPE含量的增加,塑料基體的缺口沖擊強度急劇下降,當MAPE含量從40%增加到 100 %時,沖擊強度從 38 kJ/m2減小到16 kJ/m2。這是因為MAPE中含有MAH極性官能團,柔順性遠不如 PE-HD,因此,隨著MAPE含量的增加,塑料基體的韌性變差,沖擊強度不斷下降。

圖1 MAPE含量對PE-HD/MAPE共混物沖擊強度的影響Fig.1 Effect of MAPE contents on the impact strength of PE-HD/MAPE blends

2.2 MAPE含量對WPC沖擊強度的影響

從圖2(a)可以看出,木粉含量為 30%時,隨著MAPE含量的增加,WPC的無缺口沖擊強度逐漸降低,當塑料基體中 MAPE含量從0變?yōu)?00%時,WPC的無缺口沖擊強度從 43.4 kJ/m2下降到18.8 kJ/m2,下降了57%,降低幅度較大。從理論上分析,塑料基體中MAPE含量對沖擊強度具有雙重影響,一方面,MAPE中含有MAH極性官能團,柔順性遠不如 PE-HD,因此,隨著MAPE含量的增加,塑料基體的韌性變差,這一因素使WPC的沖擊強度降低;但另一方面,隨著MAPE含量增加,木粉/塑料界面的相互作用增強,這一因素使 WPC的沖擊強度升高。WPC的沖擊強度是這2個因素共同作用的結果。顯然,在木粉含量較低時,前一因素起主導作用,因此,隨著MAPE含量的增大,WPC的沖擊強度逐漸降低。

從圖2(b)可以看出,在 50%木粉含量下,隨著MAPE含量的增加,WPC的無缺口沖擊強度先減小后增大。這是因為MAPE含量較小時,木/塑界面相容性有限,前一因素(塑料基體強度)對木塑復合材料沖擊強度的影響占主導地位,因此木塑復合材料的沖擊強度隨著MAPE含量的增加而降低;當MAPE的含量較大時,木/塑界面相容性大大增強,后一因素(界面相容性的影響)超過前一因素而占據(jù)主導地位,因此木塑復合材料的沖擊強度隨著MAPE含量的增加而增大。顯然,在50%木粉含量下,這2個因素都起著顯著的作用,因此隨著MAPE含量的增加,WPC的沖擊強度先減小后增大。

從圖 2(c)可以看出,70%木粉含量下,隨著MAPE含量的增加,WPC的無缺口沖擊強度逐漸增大,沒有出現(xiàn)任何降低的跡象,當塑料基體中 MAPE含量從 0變?yōu)?100 %時,WPC的沖擊強度從3.1 kJ/m2增大到13.3 kJ/m2,增加了 3.3倍,增加幅度很大。這是因為隨著MAPE含量增加,木粉/塑料界面的相互作用增強,沖擊強度不斷增大。

圖2 MAPE含量對WPC沖擊強度的影響Fig.2 Effect of MAPE contents on the impact strength of WPC

2.3 SEM分析

圖3和圖4分別是MAPE和MAPE/木粉(100/30)的沖擊斷面SEM照片。從圖3和圖4可以看出,二者沖擊斷面形態(tài)十分相似,木粉含量30%的WPC沖擊斷面上纖維含量很少,絕大多數(shù)是塑料基體,這表明木粉含量較低時,WPC的沖擊強度主要取決于塑料基體。這一分析結果與上述理論分析和沖擊強度的測定結果一致。

圖3 MAPE的沖擊斷面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM micrograph for the impact fracture surface of MAPE

圖4 MAPE/木粉復合材料的沖擊斷面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM micrograph for the impact frature surface of MAPE/wood flour composites

從圖5可以看出,塑料基體中不含MAPE的木塑復合材料斷面處的纖維清晰可辨,有較多的纖維從塑料基體中被拔出,孔洞明顯,表明木/塑界面相容性不佳,界面結合力弱,因此,其沖擊強度低。塑料基體為MAPE的木塑復合材料斷面處的大量纖維均覆蓋有塑料,裸露的纖維很少,木/塑界面模糊,表明結合比較緊密,界面相容性好,因此其沖擊強度高。說明在木粉含量較高的情況下,MAPE的加入改善了木/塑界面相容性,使木纖維對WPC的增強作用表現(xiàn)得十分顯著。

圖5 木粉含量為70%時木塑復合材料的沖擊斷面SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM micrographs for the impact fracture surface of WPC with 70%wood flour

3 結論

(1)在 MAPE/PE-HD共混形成的塑料基體中,MAPE含量對塑料基體的缺口沖擊強度影響顯著,隨著MAPE含量的增加,塑料基體的沖擊強度迅速下降;

(2)MAPE含量對WPC沖擊強度的影響規(guī)律與木粉含量有關。在木粉含量為30%時,WPC的沖擊強度隨MAPE含量的增加而逐漸下降;在木粉含量為50%時,WPC的沖擊強度隨MAPE含量的增加先減小后逐漸增大,但變化值不大;當木粉含量為70%時,WPC的沖擊強度隨MAPE的含量增加逐漸增大;

(3)塑料基體中含有MAPE的木塑復合材料具有較好的界面相容性,表明MAPE可以促進木粉與塑料的相容。

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Effect of MAPE Contents on Impact Strength of WPC Based on PE

ZHAN G Qingfeng1,LüQun1＊,CAI Peixin1,LAI Guoqiao2
(1.College of Materials,Chemistry and Chemical Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 310036,China;2.Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology of Education Ministry,Hangzhou 310012,China)

The wood-plastics composites(WPC)were prepared via compression molding using a blend of high density polyethylene(PE-HD)and maleic anhydride grafted polyethylene(MAPE)as the matrix and wood flour as filler.The effects of the contents of MAPE on the impact strength of the matrix and WPC were investigated.It was shown that the change of MAPE contents had significant influence on the impact strength of the matrix and WPC.When the contents of wood flour was 30%,the impact strength of WPC decreased with increasing MAPE contents;whereas at 70 %of wood flour loading,the impact strength of WPC increased with increasing MAPE contents.

maleic anhydride grafted polyethylene;high density polyethylene;wood-plastics composite;impact strength

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)07-0060-04

2010-03-11

浙江省重大科技專項(優(yōu)先主題)(2008C13G2150004)、杭州市科技計劃項目(20081533F04)

＊聯(lián)系人,luqun@263.net