偶聯(lián)劑對PVC/紙粉復(fù)合材料性能的影響

于 傳 斌, 李 昆, 肖 琴, 陸 委 鋒, 劉 俊 龍

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院, 遼寧 大連 116034; 2.大連安邦塑膠有限公司, 遼寧 大連 116031 )

0 引 言

植物纖維是一種價格低廉、來源廣泛、符合可持續(xù)發(fā)展要求的可再生資源,具有較高的比強度和比模量。木塑復(fù)合材料制品已廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、汽車工業(yè)、包裝及運輸業(yè)、家具業(yè)、辦公室用品、體育設(shè)施等領(lǐng)域[1-2]。紙粉的主要成分是纖維素纖維,作為填料填充PVC不但降低成本,而且保護(hù)了環(huán)境。近年來國內(nèi)外以木粉等植物纖維填充PE、PP復(fù)合材料進(jìn)行廣泛的研究[3-5],而對PVC/植物纖維的復(fù)合材料的深入研究報道較少[6-7]。本文以紙粉作為填料來填充PVC,采用了硅烷、鈦酸酯和鋁酸酯偶聯(lián)劑處理紙粉,分析其對PVC/紙粉復(fù)合體系的力學(xué)性能、熱學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

PVC,SG-3,本溪氯堿廠；紙粉,廢舊報紙經(jīng)粉碎后過40目篩；鄰苯二甲酸二辛酯(DOP),丹東市化工試劑廠；偶聯(lián)劑:硅烷偶聯(lián)劑KH-570、鈦酸酯偶聯(lián)劑JN-101、鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-2411;穩(wěn)定劑、其他助劑均為市售工業(yè)品。

1.2 儀器設(shè)備

高速混合機,雙輥塑煉機,平板硫化機,萬能制樣機,懸臂梁沖擊試驗機,萬能試驗機,熱變形維卡溫度測定儀,掃描電子顯微鏡。

1.3 試樣的制備

1.3.1 基本配方

PVC,100份；紙粉,50份；DOP,20份；硬脂

酸,1份；三堿式硫酸鉛,4份；二堿式亞磷酸鉛,1份；硬脂酸鉛,4份。

1.3.2 偶聯(lián)劑對紙粉處理

將紙粉置于烘箱中,110 ℃連續(xù)烘2 h,然后置于干燥箱器中備用。將一定量紙粉放入80 ℃高混機中,將不同用量的表面改性劑用液體石蠟稀釋后,均勻噴灑在紙粉表面,高速混合20 min。

1.3.3 工藝過程

復(fù)合材料制作工藝過程如圖1所示。

圖1 復(fù)合材料制作工藝流程圖

1.4 復(fù)合材料的性能測試

復(fù)合材料的拉伸性能根據(jù)GB/T 1040—1992進(jìn)行；彎曲性能根據(jù)GB/T 9341—2000進(jìn)行；沖擊強度按GB/T 1843—1996進(jìn)行無缺口沖擊性能測試；使用JXM6460LV型掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料的斷面進(jìn)行測試分析；維卡軟化溫度按GB/T 1633—2000測定,硅油油浴加熱。

2 結(jié)果與討論

2.1 紙粉用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

考察不同紙粉用量對PVC/紙粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,結(jié)果見表1。當(dāng)少量的紙粉填充時,紙粉和PVC能較好地混合,紙粉起到增強、增韌的作用；當(dāng)紙粉的加入量增大時,力學(xué)性能下降,這時因為紙粉和PVC的相容性較差,紙粉聚集現(xiàn)象加劇,產(chǎn)生的應(yīng)力集中及缺陷概率變大所致。

表1 紙粉用量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

2.2 偶聯(lián)劑對PVC/紙粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖2可以看出,改性后的PVC/紙粉復(fù)合材料的拉伸、彎曲和沖擊強度都明顯高于未改性材料的強度。隨著偶聯(lián)劑用量的提高,復(fù)合材料的力學(xué)性能均有不同程度的提高；但當(dāng)偶聯(lián)劑的用量過多時,復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。這是因為,在一定范圍內(nèi)隨著偶聯(lián)劑添加量增大,偶聯(lián)劑能在紙粉表面形成均勻的偶聯(lián)劑分子層,起到橋梁的作用,從而使樹脂與紙粉的界面結(jié)合力提高。

圖2 偶聯(lián)劑對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

不同偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的影響也不同。偶聯(lián)劑種類方面,硅烷偶聯(lián)劑處理的紙粉有一定效果,在用量為紙粉質(zhì)量1.5%時,力學(xué)性能達(dá)到最佳。鋁酸酯偶聯(lián)劑處理紙粉也表現(xiàn)出較好的改性效果,并且價格便宜,因此,具有很好的應(yīng)用效果。鈦酸酯偶聯(lián)劑比硅烷偶聯(lián)劑和鋁酸酯偶聯(lián)劑的改性效果要好,這可能是由于鈦酸酯偶聯(lián)劑中—OR基團(tuán)可與紙纖維中的—OH互相作用,發(fā)生鍵合,在紙纖維表面形成了單分子膜,提高其與PVC樹脂的界面作用。鈦酸酯偶聯(lián)劑的用量為紙粉1%時,各項力學(xué)性能達(dá)到最佳,復(fù)合材料的拉伸強度為16.04 MPa,比未改性的提高了38.2%；沖擊強度達(dá)到18.98 kJ/m2,比未改性的提高了45.2%；彎曲強度達(dá)到45.64 MPa,比未改性的提高了41.2%。

2.3 PVC/紙粉復(fù)合材料的熱性能

表2列出了PVC/紙粉復(fù)合材料的維卡軟化溫度。由表2可知,紙粉未處理復(fù)合材料的維卡軟化溫度比偶聯(lián)劑處理的高,不同偶聯(lián)劑的維卡軟化溫度也略有不同。

2.4 PVC/紙粉復(fù)合材料的掃描電鏡分析

圖3為PVC/紙粉復(fù)合材料的沖擊試樣斷面的電鏡照片。從圖3(a)可看到,未改性紙粉復(fù)合材料的紙粉相“相疇”明顯,界面結(jié)合不好,斷面比較光滑,呈現(xiàn)脆性斷裂特征；從圖3(b)可以看到,斷裂較粗糙、結(jié)合力提高；圖3(c)已經(jīng)有部分紙粉脫出形成大的韌窩,表明試樣斷裂時需要較高的能量。由圖3(d)可看出,有部分纖維獨立突出,能夠發(fā)揮纖維的增強作用,從而增強界面結(jié)合力。總之,偶聯(lián)劑對紙粉的表面處理,增加了紙粉與PVC基體樹脂之間的結(jié)合力,改善了界面狀態(tài)。

表2 PVC/紙粉復(fù)合材料的維卡軟化溫度

圖3 紙粉改性對復(fù)合材料微觀形態(tài)的影響

3 結(jié) 論

(1)紙粉經(jīng)硅烷、鈦酸酯和鋁酸酯偶聯(lián)劑表面處理后,紙粉與PVC的界面均能得到改善,PVC/紙粉復(fù)合材料的力學(xué)性能都有所增加。

(2)鈦酸酯偶聯(lián)劑JN-101是PVC/紙粉復(fù)合材料的有效改性劑。當(dāng)用量為紙粉的1%時,改性復(fù)合材料的拉伸強度、彎曲強度和沖擊強度,比未改性的分別提高了38.2%、41.2%和45.2%。

(3)SEM測試結(jié)果表明,三種偶聯(lián)劑都可以有效改善紙粉在PVC樹脂基體中的分散和兩相間的界面結(jié)合。

[1] 陳智修. PVC木塑復(fù)合材料及制品的開發(fā)[J]. 聚氯乙烯, 2004(4):21-25.

[2] 韓志超,劉俊龍. 麻纖維增強聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 塑料科技, 2007, 35(10):112-116.

[3] BENGTSSON M, GATENHOL M P, OKSMAN K. The effect of crosslinking on the properties of polyethylene/wood flour composites[J]. Composites Science and Technology, 2005, 65(10):1468-1479.

[4] STARK N M, ROWLANDS R E. Effects of wood fiber characteristics on mechanical properties of wood/polypropylene composites[J]. Wood and Fiber Science, 2003, 35(2):167-174.

[5] OLADIPO A B, WICHMAN I S, BECK J V. Experimental investigation of the thermal properties of wood fiber/thermoplastic composites[J]. Journal of Composite Materials, 1999, 133(5):480-495.

[6] FELDMAN D, BANU D. Contribution to the study of rigid PVC polyblends with different lignins[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1997, 66(9):1731-1744.

[7] 韓志超,遲紅訊,王少廷,等. 丙烯酸甲酯接枝亞麻纖維及其在PVC/亞麻復(fù)合材料中的應(yīng)用[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 27(3):241-244.

(HAN Zhi-chao, CHI Hong-xun, WANG Shao-ting, et al. Graft of methyl acrylate on flax fiber and its application in PVC/flax composites[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2008, 27(3):241-244.)