楊霄云，王愛東，于海鷗，肖 鵬，陶四平

(金發(fā)科技股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，塑料改性與加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510520)

滑石粉對聚丙烯木塑復(fù)合材料性能影響的研究

楊霄云，王愛東，于海鷗，肖 鵬，陶四平

(金發(fā)科技股份有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，塑料改性與加工國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州，510520)

研究了不同含量的滑石粉對聚丙烯木塑復(fù)合材料力學(xué)性能和加工性能的影響。結(jié)果表明:滑石粉能夠在一定程度上改善聚丙烯木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能。硅烷偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的處理效果要優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑。

木塑復(fù)合材料;聚丙烯;木粉;滑石粉

木塑復(fù)合材料(WPC)是以木纖維或植物纖維作為增強(qiáng)材料，以熱塑性塑料作為基體材料，通過適當(dāng)?shù)姆椒◤?fù)合而得到的一種新型材料。這種新型的、可循環(huán)使用的耐久性材料，既能克服木材的各向異性、強(qiáng)度低和變異性大等使用局限性，又具有比單一高分子聚合材料較好的力學(xué)性能，克服有機(jī)材料的低模量等使用缺陷。這種綠色復(fù)合材料集木材及塑料的優(yōu)點(diǎn)于一身，應(yīng)用非常廣泛，是近年來的研究熱點(diǎn)［1－3］。但是由于組成木纖維的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等含有大量的親水性羥基，在與憎水性的熱塑性聚合物復(fù)合時(shí)，木質(zhì)纖維與聚合物界面相容性較差［4－6］。使用偶聯(lián)劑對木粉進(jìn)行表面改性，能有效改善其界面相容性［7－8］，提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。同時(shí)在高分子基體中添加大量的木粉、纖維等填充物后，復(fù)合材料的加工性能下降嚴(yán)重，因而有必要在保持一定使用性能的前提下改善木塑復(fù)合材料的加工性能。本文主要研究改變各種添加組分的比例配方等，引入滑石粉，對聚丙烯(PP)木塑復(fù)合材料力學(xué)性能與加工性能和熱變形的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

PP320:粉狀，中國石油化工股份有限公司茂名分公司;滑石粉:1250目，3000目，5000目，合山化工(遼寧有限公司);馬來酸酐－PP:自制;木粉:100目，江門雙水偉華;硅烷偶聯(lián)劑:市售;鈦酸酯偶聯(lián)劑:市售。

1.2 儀器與設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī):SHJ－30型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司;電子拉力試驗(yàn)機(jī):LWK－250型，廣州試驗(yàn)儀器廠;沖擊試驗(yàn)機(jī):CBL－11J型，長春第二試驗(yàn)機(jī)有限公司;維卡溫度測試儀:TINIUS OLSEN;熔融指數(shù)測試儀:XNR－400A，長春第二試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.3 試樣制備

1.4 測試手段

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率按照GB/T 1040－92進(jìn)行測試;懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度測試按照GB/T 1843－1996進(jìn)行;彎曲強(qiáng)度和彎曲模量按照GB/TG 431－2000進(jìn)行測試;熔融指數(shù)按照GB/T 3682－2000進(jìn)行;維卡溫度按照GB/T 8802－2001進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本力學(xué)性能

為了更好地探討各種助劑對PP基材木塑復(fù)合材料的性能影響，我們從配方上著手，列出了三個(gè)系列的配方，見表1、表2與表3。相應(yīng)的性能結(jié)果也列于表4、表5與表6中。從測試結(jié)果可以看到，拉伸強(qiáng)度保持在33～36MPa的幅度，斷裂伸長率較低，保持在5% ～7%之間，缺口沖擊強(qiáng)度則在2KJ·m2左右?；鄣木?xì)程度對復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度影響不是很大，斷裂伸長率隨著滑石粉粒徑變小而略有降低。熔融指數(shù)隨著木粉含量增加而降低比較嚴(yán)重?；鄣牧酱笮∫矊θ廴谥笖?shù)有所影響，隨著滑石粉粒徑變小而降低。

表1 1#系列配方Table1 1#recipes

表2 2#系列配方Table 2 2#recipes

表3 3#系列配方Table 3 3#recipes

表4 1#系列配方測試結(jié)果Table 4 The test result of 1#recipes

表5 2#系列配方測試結(jié)果Table 5 The test result of 2#recipes

表6 3#系列配方測試結(jié)果Table 6 The test result of 3#recipes

2.2 偶聯(lián)劑對性能的影響

從三個(gè)系列配方總體來看，添加了硅烷偶聯(lián)劑的配方性能略優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑的配方。其原因可能是:隨著木粉用量的增加，纖維含量也增加，木粉中的羥基容易形成分子內(nèi)及分子間氫鍵，使分散不均;另一方面，由于木粉密度較小，隨著木粉填充量的增加，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，使熔體流動(dòng)性降低，成型困難，聚集的顆粒引起材料的應(yīng)力集中及產(chǎn)生缺陷的幾率增大，降低了樹脂基體產(chǎn)生塑性形變的能力。硅烷偶聯(lián)劑使填料與樹脂基體之間形成一個(gè)界面層，界面層能傳遞應(yīng)力，從而增強(qiáng)了填料與樹脂之間的黏合強(qiáng)度，提高了復(fù)合材料的性能。但是我們必須指出，三大系列配方中，木粉與PP接枝馬來酸酐共聚物的比例保持一定下，PP基體的用量是做了調(diào)整的。隨著PP用量減少，相應(yīng)的木粉填充量增加。通常來說，在PP作為基材的情況下，木粉作為填充材料，拉伸強(qiáng)度會隨著木材填充量增大而有所上升，缺口沖擊強(qiáng)度會有下降的趨勢。在我們的配方試驗(yàn)中，上述的各個(gè)基本力學(xué)性能變化不大，基本維持在一定的范圍內(nèi)，這可能是由于滑石粉以及偶聯(lián)劑的共同作用結(jié)果。但是彎曲強(qiáng)度與彎曲模量隨著木粉的含量增加而有較明顯的增大。

圖1給出了使用滑石粉1250目的情況下，兩種偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的性能影響。從圖1上可以看到硅烷偶聯(lián)劑對拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度的改善要稍微好于鈦酸酯偶聯(lián)劑，而缺口沖擊則略遜。對于熔融指數(shù)，影響最大的因素要?dú)w屬于木粉在PP基體中的含量。

圖1 偶聯(lián)劑對PP/木塑復(fù)合材料的性能影響Fig.1 The effect of coupling agent on the properties of PP/WPC

2.3 滑石粉對彎曲性能的影響

在我們的實(shí)驗(yàn)配方中，雖然拉伸強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度、斷裂伸長率等的變化不大，但是從表4、表5與表6可以看到，隨著PP基體用量的減少，彎曲強(qiáng)度以及彎曲模量是增大的。反過來也就是說木粉的填充可以增大復(fù)合材料的彎曲模量以及彎曲強(qiáng)度。但是仔細(xì)比較1－1，1－2，1－3與2－1，2－2，2－3和3－1，3－2，3－3的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)滑石粉的粒徑越小，彎曲模量與彎曲強(qiáng)度越大，這可以從圖2中看出。雖然滑石粉作為一種惰性填料，在我們的配方中主要是以期改善復(fù)合材料的加工性能，但是在我們的配方實(shí)驗(yàn)中，它確實(shí)能夠改善彎曲性能。同時(shí)，在配方中，滑石粉的填充量也是隨著PP基體減小而用量增大，這說明，滑石粉在本配方中不僅可以改善彎曲強(qiáng)度，同時(shí)隨著滑石粉含量的增大，復(fù)合材料的模量也得到提高。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看到硅烷偶聯(lián)劑改善木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度的效果要優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑。

圖2 滑石粉對PP/木塑復(fù)合材料的性能影響Fig.2 The effect of talc on the mechanical properties of PP/WPC

2.4 滑石粉對加工性能的影響

從上述三個(gè)系列配方的結(jié)果可以看到，適量的滑石粉的加入確實(shí)能夠改善PP木塑復(fù)合材料的加工性能，如圖3中的配方2。隨著滑石粉的粒徑減小，加工性能有所變差。這可能是因?yàn)榱皆叫?，吸附越?qiáng)，越難以分散在復(fù)合材料中。值得注意的是在我們的配方中，雖然滑石粉的用量增加了，但是相應(yīng)的PP基體的用量也是減小的，也就是說木粉用量比重增大。因此木粉的加入使得復(fù)合材料的加工性能變差再次得到證實(shí)，如圖1中熔融指數(shù)隨著木粉用量的增大大幅降低，這非常不利于木塑復(fù)合材料的大規(guī)?？焖偌庸どa(chǎn)。從圖3還可以很清楚地看到鈦酸酯偶聯(lián)劑在加工性能方面比硅烷偶聯(lián)劑略占優(yōu)勢。我們的實(shí)驗(yàn)中，大粒徑的滑石粉是一個(gè)較好的選擇，在保持一定力學(xué)性能的同時(shí)使材料的加工性能得到了一定的改善，當(dāng)然，木塑復(fù)合材料的加工性能還有待更好的優(yōu)化。

圖3 滑石粉對PP/木塑復(fù)合材料的熔融指數(shù)影響Fig.3 The effect of talc on the melt index of PP/WPC

2.5 滑石粉對熱性能的影響

從三個(gè)系列配方測試的熱變形溫度與維卡軟化點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著木粉和滑石粉總填充量的增加，復(fù)合材料的熱變形溫度、維卡軟化點(diǎn)得到了提高。這主要是因?yàn)榇罅康哪痉酆突厶畛浜笙拗屏薖P分子鏈的局部運(yùn)動(dòng)，體系的粘度急劇增大的緣故。從圖3也可以看出，滑石粉的粒徑也對復(fù)合材料的熱變形有所影響，基本趨勢是:隨著滑石粉粒徑減小，熱變形性能得到改善。這可能也是因?yàn)樾×降脑稣承Ч?/p>

圖4 滑石粉對PP/木塑復(fù)合材料的熱性能影響Fig.4 The effect of talc on the thermal properties of PP/WPC

3 結(jié)論

在本實(shí)驗(yàn)配方中，從總體性能上來說硅烷偶聯(lián)劑優(yōu)于鈦酸酯偶聯(lián)劑，但是就加工性能而言，鈦酸酯偶聯(lián)劑則略占優(yōu)勢?；鄣募尤胧筆P木塑復(fù)合材料的加工性能得到一定的改善?；鄣牧皆叫。瑥澢Ａ啃阅茉胶?，熱變形性能得到提高?；圻€可以起到增強(qiáng)木塑復(fù)合材料的作用。

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The Study of the Effect of Talcum on Properties of Polypropylene/Wood Powder Composites

YANG Xiao-yun，WANG Ai-dong，YU Hai-ou，XIAO Peng，TAO Si-ping
(Research and Development Center，National Engineering Laboratory for Plastic Modification and Processing，Kingfa Science and Technology Co.Ltd.，Guangzhou 510520，Guangdong，China)

The properties of PP/wood powder composites of different formulas were studied.Talcum powders were used to improve the processing property of the composites.The results were indicated that the modification effect of silicone ester coupling agent on composites is better than that of titanic acid ester.Talcum powders benefit to improving the processing property of the composites.

wood powder composites;polypropylene;wood powder;talcum

TQ 325.1+4

2011－10－10