微晶纖維素含量對(duì)PE-HD復(fù)合材料性能的影響

李宏林,楊桂生,吳玉程

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系,安徽巢湖 238000)

微晶纖維素含量對(duì)PE-HD復(fù)合材料性能的影響

李宏林1,3,楊桂生1,2＊,吳玉程1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)系,安徽巢湖 238000)

采用熔融共混法制備了微晶纖維素(MCC)含量分別為50%、60%和70%的高密度聚乙烯(PE-HD)/MCC復(fù)合材料,研究了MCC含量對(duì)其力學(xué)性能、流變行為、熱變形溫度和斷口形貌的影響。結(jié)果表明,加入MCC能有效提高PE-HD的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和拉伸強(qiáng)度,其中MCC含量為60%時(shí)材料力學(xué)性能最好;MCC的加入顯著提高了PE-HD的熱變形溫度,且MCC含量為60%時(shí)復(fù)合材料熱變形溫度最高;PE-HD/MCC復(fù)合材料斷口形貌表明MCC在基體中分布較均勻,MCC含量為60%時(shí)其與PE-HD基體之間的相容性最好。

微晶纖維素;高密度聚乙烯;復(fù)合材料;力學(xué)性能;流變行為

0 前言

MCC是由天然纖維素經(jīng)稀無(wú)機(jī)酸水解達(dá)到極限聚合度的極細(xì)微的白色短棒狀無(wú)定形或結(jié)晶粉末[1],無(wú)臭、無(wú)味。MCC的生產(chǎn)及應(yīng)用具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在豐富的纖維素資源中,木本植物纖維資源具有可再生性,成本較低,對(duì)環(huán)境的影響較小,能夠創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)其開(kāi)發(fā)利用是目前材料領(lǐng)域研究的一個(gè)方向。A ji[2]等用MCC增強(qiáng)聚乳酸(PLA)制備出生物降解性能優(yōu)異的復(fù)合材料,為MCC的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

PE-HD是一種結(jié)晶度高、非極性的熱塑性樹(shù)脂,不吸濕并具有較好的防水蒸汽性,可用于包裝領(lǐng)域。PE-HD具有很好的電性能,特別是絕緣介電強(qiáng)度高,非常適用于電線電纜材料。中到高相對(duì)分子質(zhì)量的PE-HD具有極好的抗沖擊性,在常溫甚至在-40℃下均如此,但其成型收縮率大、耐磨性不足、熱變形溫度不高、不易染色等缺點(diǎn)又限制了其應(yīng)用范圍。這些缺點(diǎn)可以通過(guò)與其他材料共混得到顯著的改善。已有研究者通過(guò)添加云母等無(wú)機(jī)填料[3-6]來(lái)改善PE-HD性能并得到很好的增強(qiáng)效果。近年來(lái),隨著人們對(duì)環(huán)境友好材料的重視,開(kāi)始研究采用天然植物纖維作填料來(lái)制備PE-HD復(fù)合材料[7-9],但采用MMC作填料的研究并不多。

本文采用熔融共混法制備了PE-HD/M CC復(fù)合材料,研究了M CC含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、流變行為、熱變形溫度和斷口形貌的影響,為 PE-HD/MCC復(fù)合材料的加工應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PE-HD,JH 910,熔體流動(dòng)速率為7.5 g/10 m in,密度為0.963 g/cm3,韓國(guó)大韓油化工業(yè)公司;

棉短絨MCC,長(zhǎng)約200μm,直徑約20μm,新疆奎屯新大陸化學(xué)有限公司;

相容劑,UF-M PE,熔體流動(dòng)速率為20 g/10 min,廣州源鋒新材料有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

同向雙螺桿擠出機(jī),SHJ35,長(zhǎng)徑比為35,南京杰亞擠出裝備有限公司;

注塑機(jī),HTF60W 1,寧波海天塑機(jī)基團(tuán)有限公司;

電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),CM T4204,深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司;

流變儀,ARES,美國(guó)Rheometrics公司;

微機(jī)控制熱變形維卡軟化試驗(yàn)機(jī),ZW K1302,深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司;

掃描電子顯微鏡,JSM-6490LV,日本電子公司。

1.3 試樣制備

按表1配比稱料,采用雙螺桿擠出機(jī)共混擠出,MCC采用側(cè)加料方式,擠出前原料分別在真空80℃下烘干24 h。螺桿轉(zhuǎn)速為135 r/min,溫度分別為105、115、130、150、155、175、180 ℃。將得到的粒料和純PE-HD基體分別在注塑機(jī)上注射成型,注射溫度180℃、注射壓力35 M Pa。試樣在23℃、相對(duì)濕度50%環(huán)境中放48 h后備用。

表1 實(shí)驗(yàn)配方表Tab. 1 Experimental formula

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

按照ASTM D790測(cè)試PE-HD/MCC復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量,測(cè)試速度為1.25 mm/m in;

按照ASTM D638測(cè)試PE-HD/MCC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,拉伸速度為50 mm/min;

按照ASTM D6110測(cè)試 PE-HD/MCC復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度,擺錘能量為2 J;

采用直徑25 mm平板裝置在壓縮空氣流中測(cè)試復(fù)合材料的流變性能。測(cè)試溫度190℃,剪切頻率范圍為0.5～100 rad/s;

按照ASTM D648測(cè)試PE-HD/MCC復(fù)合材料的熱變形溫度,升溫速率為120℃/h;

采用掃描電子顯微鏡觀察PE-HD/MCC復(fù)合材料沖擊斷面形貌及MCC的分布情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 PE-HD/MCC復(fù)合材料的力學(xué)性能

從圖1可以看出,PE-HD/MCC復(fù)合材料除了沖擊強(qiáng)度比基體小,彎曲強(qiáng)度、拉伸模量和拉伸強(qiáng)度均比基體有顯著提高,且2#試樣力學(xué)性能最突出。這是因?yàn)?%界面相容劑在60%MCC的復(fù)合材料中發(fā)揮了最佳作用,使MCC與基體相容性較其余兩者更好,從而使其表現(xiàn)出更優(yōu)越的力學(xué)性能。可見(jiàn)MCC含量較高的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。

2.2 PE-HD/MCC復(fù)合材料的流變性能

從圖2可以看出,2#試樣的黏度、損耗模量和儲(chǔ)能模量是最高的,1#、3#試樣的黏度、損耗模量和儲(chǔ)能模量均比基體低。分析原因可能由于1#、3#試樣添加的MCC與PE-HD基體相容性較差,MCC的存在促進(jìn)了PE-HD分子鏈的運(yùn)動(dòng),從而表現(xiàn)出比基體較低的黏度、損耗模量和儲(chǔ)能模量;而2#試樣添加的 MCC與PE-HD基體相容性很好,阻礙了 PE-HD分子鏈的運(yùn)動(dòng),從而表現(xiàn)出比基體較高的黏度、損耗模量和儲(chǔ)能模量。

2.3 PE-HD/MCC復(fù)合材料的熱性能

從圖3可以看出,PE-HD/MCC復(fù)合材料的熱變形溫度比基體高很多。這主要由于MCC是硬質(zhì)物料,能有效防止基體受熱變形。2#試樣比1#和3#試樣的熱變形溫度高,這可能是由于MCC與PE-HD相容性最好,必須在更高的溫度才能使MCC與PE-HD基體分離發(fā)生變形。可見(jiàn),MCC的加入能有效提高PE-HD基體的使用溫度范圍,且復(fù)合材料的熱變形溫度與界面相容性相關(guān)。

圖1 PE-HD/MCC復(fù)合材料的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of PE-HD/MCC composites

圖2 PE-HD/MCC復(fù)合材料的流變曲線Fig.2 Rheological behavior of PE-HD/MCC composites

2.4 PE-HD/MCC復(fù)合材料斷面形貌

從圖4可以看出,MMC在PE-HD基體中分布較均勻,1#和3#試樣中MCC表面較光滑,且與 PE-HD基體之間有較大的間隙,而2#試樣中MCC表面有斷裂時(shí)撕扯留下的 PE-HD,且與基體的間隙較小,說(shuō)明2#試樣中的MCC與基體相容性較好。

圖3 PE-HD/MCC復(fù)合材料的熱變形溫度Fig.3 Heat distortion temperatureof PE-HD/MCC composites

圖4 PE-HD/MCC復(fù)合材料斷口形貌的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM micrographs fo r morphology of fractured surface of PE-HD/MCC composites

3 結(jié)論

(1)MCC含量為60%時(shí),PE-HD/MCC復(fù)合材料力學(xué)性能最好;

(2)MCC含量為60%時(shí),PE-HD/MCC復(fù)合材料具有較高的黏度、損耗模量和儲(chǔ)能模量;

(3)MCC的加入顯著提高了PE-HD基體熱變形溫度,且MCC含量為60%時(shí),PE-HD/MCC復(fù)合材料熱變形溫度最高;

(4)MCC在基體中分布較均勻,MCC含量為60%時(shí),與基體的相容性最好。

[1] Plonka A M.Characteristics of M icrocrystalline and M icrofine Cellulose[J].Cellul Chem Technol,1982,16:2473-2483.

[2] A ji PM,Kristiina O,Mohini S.Mechanical Properties of Biodegradable Compositesfrom Poly(lactic acid)(PLA)and M icrocrystalline Cellulose(MCC)[J].Journal of App lied Polymer Science,2005,97:2014-2025.

[3] 梁基照,楊銓銓.云母填充高密度聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用,2006,18(2):12-14.

[4] 楊銓銓,梁基照.HDPE/云母復(fù)合材料的流動(dòng)性能[J].合成樹(shù)脂及塑料,2006,23(6):49-52.

[5] Zhang H,Rizvi GM,Park CB.Developmentof an Extrusion System fo r Producing Fine-celled HDPE/Wood-fiber Composite Foams Using CO2as a Blow ing Agent[J].Advances in Polymer Technology,2004,23(4):263-276.

[6] Rachtanapun P,Selke S EM,Matuana L M.M icrocellular Foam of Polymer Blends of HDPE/PP and Their Composites with Wood Fiber[J].Journal of App lied Polymer Science,2003,88:2842-2850.

[7] Guo G,Lee Y H,Rizvi G M.Influence of Wood Fiber Size on Extrusion Foaming of Wood Fiber/HDPE Composites[J].Journal of Applied Polymer Science,2008,107:3505-3511.

[8] Saeed K N,Mehdi T,Majid C.Long-term Water Up take Behavior of Lignocellulosic High Density Polyethylene Composites[J].Journal of Applied Polymer Science,2006,102:3907-3911.

[9] Abdollah N,Saeed K N.Effect of Temperatureon Hygroscopic Thickness Swelling Rateof Composites f rom Lignocellolusic Fillers and HDPE[J].Polymer Composites,2008,10:1001-1006.

Effects of Microcrystalline Cellulose Content on Properties of PE-HD Composites

LI Honglin1,3,YANG Guisheng1,2＊,WU Yucheng1
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Shanghai Genius Advanced Material Co,Ltd,Shanghai 201109,China;3.Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu College,Chaohu 238000,China)

High density polyethylene(PE-HD)composites filled with microcrystalline cellulose(MCC)were prepared by melt blending.The effects of MCC content on the mechanical property,rheological behavior,heat distortion temperature and surface morphology were studied.It showed that MCC improved the mechanical properties and the heat distortion temperature.The optical content of MCC was found as 60%,which resulted in a uniform dispersion of MCC in PE-HD matrix.

microcrystalline cellulose;high density polyethylene;composite;mechanical property;rheological behavior

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)10-0043-04

2010-06-30

＊聯(lián)系人,ygs@geniuscn.com