漢麻落麻粉填充對聚乙烯復合材料性能的影響

劉敏

常州輕工職業技術學院 213164

漢麻落麻粉填充對聚乙烯復合材料性能的影響

劉敏

常州輕工職業技術學院 213164

采用雙螺桿擠出機制備了HDPE /漢麻落麻粉復合材料，研究了麻粉用量、POE用量、潤滑劑對復合材料拉伸性能、沖擊性能及彎曲性能的影響。結果表明，隨著麻粉用量的增加，復合材料的拉伸強度、沖擊強度均不斷降低，彎曲性能、熱變形溫度則呈上升趨勢；隨著POE用量的增加，復合材料的拉伸強度、彎曲性能均不斷降低，沖擊強度熱變形溫度則呈上升趨勢。

聚乙烯 漢麻落麻 復合材料

隨著人們對生態和資源保護愈來愈重視，環境友好型復合材料的研制成為研究熱點之一，植物纖維來源豐富、價格低廉、無污染，是很有前景的環境友好型復合材料原料，尤其是麻纖維以其獨特的性能特點引起人們的關注。漢麻又稱火麻、大麻，是世 界最早栽培利用的纖維之一，在我國具有悠久的歷史，漢麻落麻是麻紡生產過程中的附產物，我們利用漢麻落麻粉作為原料，開發環境友好型復合材料，不僅為落麻開辟除紡織以外新的應用空間，而且可以為復合材料體系增添新內容，意義十分重大。

近兩年國內外掀起了研究各種麻纖維復合材料的熱潮，而我國漢麻落麻粉/熱塑性塑料復合材料的開發尚處在研究探索階段，筆者采用高密度聚乙烯（HDPE）、漢麻落麻粉、POE等進行共混，分析其力學性能，現將研制情況總結如下。

1 實驗部分

1.1 原材料

HDPE 5000S 中國石化揚子石油化工有限公司

POE LT800 韓國LG

漢麻落麻粉：細度60目，錦州

鈦酸酯偶聯劑：ND2-201，南京曙光硅烷化工有限公司

鈦酸酯偶聯劑：ND2-101，南京曙光硅烷化工有限公司

硅烷偶聯劑：KH-550，南京曙光硅烷化工有限公司

硅烷偶聯劑：KH-560，南京曙光硅烷化工有限公司

PE蠟：BN-200(PE-WAX)邦尼化工有限公司

圖1：漢麻落麻粉用量對復合材料拉伸/沖擊強度影響Fig.1 Effect of HLP content on tensile strength/compact strength

圖2 漢麻落麻粉用量對復合材料彎曲性能影響Fig.2 Effect of HLP content on bending strength

圖3 漢麻落麻粉用量對復合材料熱變形溫度影響Fig.3 Effect of HLP content on heat distortion temperature

1.2 儀器及設備

高速混合機:SHR-10A，張家港市通沙塑料機械有限公司

雙螺桿混煉擠塑機組，TE-34，南京科亞

注塑機：BT-80V-1，廣州博創機械有限公司

熔體流動速率儀：μPXRZ-400，吉林大學科教儀器廠

電子萬能試驗機：CMT6104，深圳新三思材料檢測有限公司

擺錘沖擊試驗機：ZBC1400-2，美特斯工業系統（中國）有限公司

熱變形維卡軟化點試驗機：ZWK1302-2，美特斯工業系統（中國）有限公司

1.3 試樣的制備

漢麻落麻粉使用前在100℃烘箱中真空干燥24 h以上除去表面吸附的水分，將偶聯劑、液體石蠟、麻粉按一定配比在高速混合機中進行表面處理，然后HDPE、表面處理的麻粉、其他助劑一起加入高速混合機混合，用雙螺桿混煉擠出機擠出造粒。擠出機各段溫度分別為175℃、190℃、195℃、190℃、190℃，螺桿轉速為110r/min。將擠出粒料在100℃真空烘箱中干燥24h以上，用注塑機制備力學性能測試試樣，注塑時料筒一段到噴嘴的溫度依次設定為180℃、200℃、195℃。測試樣條在干燥恒溫23℃環境中放置24h后，進行性能測試。

1.4 分析與測試

拉伸性能按照GB/T 1040-2006，拉伸速率100mm/min；

沖擊性能按照GB/T 1843-2008；

彎曲性能按照GB/T 9341-2008；

熱性能按照GB/T1634-2004。

2 結果與討論

2.1 漢麻落麻粉用量對復合材料性能的影響

由圖1可知，拉伸強度和沖擊強度均隨漢麻落麻粉填充量的增加而降低，這是因為落麻粉是強極性物，與PE的相容性較差。隨著落麻粉填充量的增加，落麻粉聚集現象加劇，大顆粒引起應力集中，容易產生破壞。另外，由于承擔外力的主要是PE基體，落麻粉填充量的增加意味著PE基體的含量減少，從而使復合材料的沖擊強度和拉伸強度相應降低。

由彎曲性能實驗結果可見（圖2）,彎曲強度和彎曲模量均隨漢麻落麻粉填充量的增加而增加，純HDPE基體在受到外力破壞時,會直接產生較大尺寸的裂紋,并隨著外加載荷的增大迅速擴展成破壞性裂紋。而當麻粉作為填料添加到HDPE中時,與基體接觸面積大,結合好,細小的分散相粒子能引發大量的應力集中,誘發大量微小裂紋產生,當裂紋在擴展過程中遇到麻粉會發生麻纖維的斷裂,或者裂紋發生支化,變為更多的小裂紋,而沒有直接發展成大的破壞性裂紋。這些過程都消耗了大量能量,使材料彎曲性能明顯提高。

此外，從圖3可以看出,復合材料的熱變形溫度隨著麻粉用量的增加呈上升趨勢,HDPE的熱變形溫度為59℃,當麻粉用量為20份時復合材料的熱變形溫度為68℃,提高了9℃,這對耐熱復合材料制品很有意義。

2.2 POE用量對復合材料性能的影響

POE是乙烯與辛烯的原位聚合物，具有非常窄的分子量分布、較小的內聚能、較高的剪切敏感性和一定的結晶度，其表觀粘度對溫度的依賴性相似，所以在PE中相容性和分散性特別好，在PE基體內易得到較小的分散粒徑和較窄的粒徑分布，因而對PE的增韌效果明顯。從圖4～圖5可看出，隨著POE用量的增加，材料的拉伸強度、彎曲模量、彎曲強度均隨彈性體用量的增加而降低,因為隨著彈性體用量增加,HDPE復合材料的結晶度降低,且增韌體系的強度較HDPE低得多,而懸臂梁缺口沖擊強度提高。

圖4 POE用量對復合材料拉伸/沖擊強度影響Fig.4 Effect of POE content on tensile strength/compact strength

圖5 POE用量對復合材料彎曲性能影響Fig.5 Effect of POE content on bending strength

圖6 潤滑劑用量對復合材料拉伸/沖擊強度影響Fig.6 Effect of lubricant content on tensile strength/compact strength

2.3 潤滑劑用量對復合材料性能的影響

由于麻粉在雙螺桿機筒內容易炭化，為了防止物料熔體強度的降低和麻粉在料筒中因停留時間較長而燒焦，在配方中加入了一定量的潤滑劑；其次，潤滑劑可以改善加工性能，提高物料的流動性，在一定程度上調節物料的塑化進程；第三，由于潤滑劑的存在，使得物料與金屬之間形成一種界膜，該界膜不僅可以防止物料粘附于金屬壁上，而且減弱了物料對加工設備和模具的磨損，延長擠出設備的使用壽命；最后，潤滑劑有利于提高產品的外觀質量乃至內在質量。由圖6可看出，在配方中如果潤滑劑適量，則復合材料的拉伸強度、沖擊強度較好，且制品富有光澤，手感好；而潤滑劑過多，則復合 材料的拉伸強度、沖擊強度下降明顯，且制品發污、缺乏光澤，易出現云紋等現象。

表1 HDPE/麻粉/表面活性劑復合材料的力學性能

2.4 幾種偶聯劑對復合材料力學性能的影響

H DPE是疏水性、非極性、結晶度較高的有機高聚物，它與親水性填料之間的相容性很差，導致HDPE共混物的力學性能很低，一般采用偶聯劑處理無機填料的方法改善其與HDPE的相容性，使填料易于在PP基體中分散，阻止填料顆粒的聚集。筆者采用四種偶聯劑分別對漢麻落麻粉進行預處理，再與HDPE共混，由此制得的復合材料力學性能見表1。

實驗表明，所選用的四種偶聯劑雖改善了材料的加工性能，但偶聯劑種類的不同，對復合材料體系的力學性能影響區別不大。

3 結論

（1）隨著漢麻落麻粉用量的增加,復合材料的拉伸強度、沖擊強度均不斷低，彎曲性能、熱變形溫度則呈上升趨勢。

（2）隨著POE用量的增加,復合材料的拉伸強度、彎曲性能均不斷低，沖擊強度則呈上升趨勢。

（3）配方體系中潤滑劑適量，復合材料的力學性能適當增加，且提高加工性能。

（4）用不同類型的偶聯劑對麻粉進行預處理后，在改善復合材料加工性能的同時，對復合材料的力學性能影響區別不大。

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Effects of Hemp leavings powder Filled on Properties of Polyethylene Composites

Liu Min
Changzhou Institute of Light Industry Technology,Changzhou 213164

HDPE/ hemp leavings powder (HLP)composite was prepared by twin-screw extruder.Effect of HLP content,POE content and lubricant on tensile strength,impact strength and bending strength were studied.It shows that tensile strength and impact strength decreased with increase of HLP content.However,bending properties and heat distortion temperature was improved by HLP.Tensile strength and bending strength became poor when POE was added.But impact strength and heat distortion temperature were developed.

Polyethylene；Hemp leavings powder；Composite

劉敏（1971～），男，講師/工程師，主要從事高分子材料加工/改性。通訊方式：常州輕工職業技術學院輕化系。