PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的制備及其性能研究

劉樹榮,曹素嬌,譚 斌,馮彥洪,瞿金平

(華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640)

PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的制備及其性能研究

劉樹榮,曹素嬌,譚 斌,馮彥洪,瞿金平＊

(華南理工大學(xué)聚合物新型成型裝備國(guó)家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510640)

采用蒸汽爆破對(duì)含水率分別為30%、40%、50%的棉稈皮進(jìn)行預(yù)處理,并與高密度聚乙烯(PE-HD)復(fù)合制備PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料,研究了蒸汽爆破、棉稈皮含量、棉稈皮含水率對(duì)PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料力學(xué)性能和密度的影響。結(jié)果表明,與未經(jīng)蒸汽爆破處理的PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料相比,蒸汽爆破預(yù)處理后制備的PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的力學(xué)性能更好;當(dāng)棉稈皮含量為30%時(shí),復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳;復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨棉稈皮含水率的增加而提高;復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度在棉稈皮含水率為40%時(shí)達(dá)到最大值。

棉稈皮;纖維;高密度聚乙烯;復(fù)合材料;蒸汽爆破;力學(xué)性能;密度

0 前言

植物纖維復(fù)合材料是一種環(huán)境友好型材料[1],近年來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注。植物纖維復(fù)合材料的開發(fā)將有效減緩植物纖維焚燒和塑料廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染,并減少石油基塑料等緊缺資源的消耗。植物纖維來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉。但是,植物纖維具有親水性,而聚合物基體具有疏水性,二者的相容性差,界面黏結(jié)強(qiáng)度低,會(huì)極大地影響其力學(xué)性能。對(duì)植物纖維進(jìn)行改性預(yù)處理是提高植物纖維黏結(jié)強(qiáng)度的有效途徑之一。蒸汽爆破預(yù)處理方法是近年來(lái)發(fā)展較快、有效、低成本、無(wú)污染的植物纖維改性技術(shù)[2],其基本原理是在高壓下,水蒸氣充分潤(rùn)漲植物纖維后,瞬間泄壓,使纖維發(fā)生膨脹、破裂,導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化[3]。棉稈皮纖維的纖維素含量高、纖維柔韌細(xì)長(zhǎng)、彈性好、強(qiáng)度高[4],是一種理想的植物纖維增強(qiáng)材料。目前,國(guó)內(nèi)關(guān)于棉稈皮纖維復(fù)合材料的研究報(bào)道尚不多。本文采用蒸汽爆破技術(shù)對(duì)棉稈皮進(jìn)行預(yù)處理,并制備了PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料,研究了蒸汽爆破預(yù)處理、棉稈皮含量及棉稈皮含水率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

棉稈皮,山東省安丘市;

PE-HD,HD7000F,泰國(guó)PTT有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱,CS1013,重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;

電子秤,精度為0.1 g,上海第二天平儀器廠;

分析天平,精度為0.1 mg,上海精密儀器設(shè)備廠;

蒸汽爆破裝置,自行設(shè)計(jì);

開放式煉塑機(jī),SK-160B,上海橡膠機(jī)械廠;

平板硫化機(jī),QBL-25D/Q,無(wú)錫市第一橡塑機(jī)械設(shè)備廠;

臺(tái)式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),INSTRON 5566,美國(guó) INSTRON公司。

1.3 試樣制備

蒸汽爆破預(yù)處理:將棉稈皮浸泡在水中5 h,把棉稈皮含水率分別調(diào)至為30%、40%和50%,然后對(duì)棉稈皮進(jìn)行連續(xù)式蒸汽爆破,將爆破后所得的纖維干燥、密封;

將棉稈皮纖維和PE-HD分別在80℃下干燥6 h,然后對(duì)干燥后的纖維和PE-HD進(jìn)行開煉,實(shí)驗(yàn)配方如表1所示,開煉機(jī)前后輥溫度均設(shè)為200～210℃,開煉6 min后,將復(fù)合材料在平板硫化機(jī)上壓片,平板硫化機(jī)上下模的溫度均設(shè)為200～210℃,模壓壓力為10 MPa,模壓時(shí)間為6 min。

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 GB/T 1040.1—2006測(cè)試PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的拉伸性能,試樣尺寸為150 mm×10 mm×4 mm,拉伸速度為10 mm/min;

按照 GB/T 9341—2008測(cè)試PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的彎曲性能,試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm,測(cè)試速度為2 mm/min;

按照 GB1033—1986測(cè)試 PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的影響

從圖1(a)可以看出,在未處理的棉稈皮纖維中,由于半纖維素、木質(zhì)素、果膠等成分具有一定的膠黏性,將纖維細(xì)胞粘成直徑較大的纖維束。在蒸汽爆破處理過(guò)程中,半纖維素、木質(zhì)素等成分在高溫水蒸氣的作用下會(huì)發(fā)生部分降解,同時(shí),瞬間的泄壓使高溫高壓水蒸氣對(duì)棉稈皮纖維產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力,使纖維結(jié)構(gòu)變松散,纖維變細(xì),纖維表面變粗糙,表面積增大,如圖1(b)所示。

圖1 棉稈皮纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs for cotton bast fibers

2.2 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從表2可以看出,當(dāng)棉稈皮的含水率為40%、含量為30%時(shí),棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破處理后制備的復(fù)合材料的拉伸性能和彎曲性能均比未處理時(shí)好,其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別提高了24.95%和12.85%。

表2 蒸汽爆破預(yù)處理對(duì)PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Tab.2 Effect of steam explosion on mechanical properties of PE-HD/cotton bast composites

圖2 PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs for PE-HD/cotton bast composites

從圖2可以看出,棉稈皮未經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理時(shí),復(fù)合材料中棉稈皮纖維尺寸較大且不均勻,棉稈皮纖維與塑料基體的黏結(jié)界面處有較多空隙,棉稈皮纖維的外輪廓清晰可見,界面黏結(jié)強(qiáng)度較低,故復(fù)合材料的力學(xué)性能較差。棉稈皮經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理后,復(fù)合材料中棉稈皮纖維變細(xì)而且均勻,棉稈皮纖維均勻分散在塑料中并與塑料基體緊密結(jié)合,界面黏結(jié)強(qiáng)度較高,復(fù)合材料的力學(xué)性能較好。

2.3 棉稈皮含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖3可以看出,含水率相同的棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后,隨著棉稈皮含量的增加復(fù)合材料的拉伸模量逐漸提高,其拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì),并在棉稈皮含量為30%時(shí)達(dá)到最大值。這是由于棉稈皮纖維是一種柔韌、彈性好、強(qiáng)度高的增強(qiáng)材料,經(jīng)過(guò)蒸汽爆破處理后,纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,纖維變得更細(xì)但又保留一定的長(zhǎng)徑比,增加了棉稈皮纖維與PE-HD基體的接觸面積,同時(shí)蒸汽爆破使纖維表面變得更粗糙,提高了纖維與 PE-HD的界面黏結(jié)強(qiáng)度,因此隨著棉稈皮含量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高,但是當(dāng)棉稈皮含量超過(guò)30%后,棉稈皮纖維容易發(fā)生團(tuán)聚而產(chǎn)生應(yīng)力集中,故拉伸強(qiáng)度開始下降。

圖3 棉稈皮含量對(duì)PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.3 Effect of content of cotton bast on tensile properties of PE-HD/cotton bast composites

從圖4可以看出,含水率相同的棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破預(yù)處理后,隨著棉稈皮含量的增加,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量先增加后下降,在棉稈皮含量為30%時(shí),復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量達(dá)到最大值。這是由于棉稈皮纖維本身具有一定的剛性,且通過(guò)蒸汽爆破后形成比較細(xì)的纖維,經(jīng)開煉分散在PE-HD基體中起骨架作用,能夠有效提高復(fù)合材料抵抗形變的能力。當(dāng)棉稈皮含量超過(guò)30%后,棉稈皮纖維不能有效均勻分散,與 PE-HD基體的接觸面積減少,界面黏結(jié)強(qiáng)度下降,彎曲強(qiáng)度下降。

圖4 棉稈皮含量對(duì)PE-HD/棉稈皮復(fù)合材料彎曲性能的影響Fig.4 Effect of content of cotton bast on bending properties of PE-HD/cotton bast composites

2.4 棉稈皮含水率對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖3可以看出,棉稈皮含量相同時(shí),復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著棉稈皮含水率的增加而提高。棉稈皮纖維含水率較低時(shí),棉稈皮纖維在蒸汽爆破過(guò)程中容易被炭化,隨著含水率的增加,棉稈皮在蒸汽爆破時(shí)的爆破強(qiáng)度增大,纖維變細(xì),表面粗糙度增加,提高了纖維與PE-HD基體的界面黏結(jié)強(qiáng)度,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高。在棉稈皮含量為10%、20%、50%時(shí),復(fù)合材料的拉伸模量隨棉稈皮含水率變化不大;當(dāng)棉稈皮含量為30%、40%時(shí),復(fù)合材料的拉伸模量在棉稈皮含水率為40%時(shí)達(dá)到最大值。

從圖4可以看出,棉稈皮含量相同時(shí),復(fù)合材料的彎曲性能在含水率為40%時(shí)達(dá)到最佳。這是因?yàn)槊薅捚ず蚀?蒸汽爆破強(qiáng)度大,纖維變細(xì),纖維本身的剛性降低。含水率過(guò)低時(shí),纖維在爆破過(guò)程容易碳化,強(qiáng)度下降,骨架作用減小。因此,在影響復(fù)合材料彎曲性能上棉稈皮纖維含水率存在一個(gè)最佳范圍。

2.5 棉稈皮含量及含水率對(duì)復(fù)合材料密度的影響

從表3可以看出,復(fù)合材料的密度隨著棉稈皮含量的增加而逐漸增大,隨著含水率的增加而稍有下降。純PE-HD的密度為0.9509 g/cm3,添加50%的含水率為30%、40%、50%棉稈皮的復(fù)合材料的密度分別比純PE-HD提高了17.2%、16.5%、15.1%。

表3 棉稈皮含量及含水率對(duì)復(fù)合材料密度的影響Tab.3 Effect of content of cotton bast and its moisture content on density of the composites

3 結(jié)論

(1)蒸汽爆破處理后棉稈皮的纖維變細(xì),長(zhǎng)徑比變大,表面變粗糙,纖維與 PE-HD基體的黏結(jié)強(qiáng)度得到改善,復(fù)合材料的力學(xué)性能提高;

(2)復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著棉稈皮含量的增加而提高,在棉稈皮含量為30%時(shí),復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳;

(3)蒸汽爆破處理時(shí),棉稈皮含水率對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有明顯影響,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨含水率增加而提高,彎曲強(qiáng)度在含水率為40%時(shí)最佳;

(4)復(fù)合材料的密度隨著棉稈皮含量的增加而增大,隨著含水率的增加而稍有下降。

[1] 魯 博,張林文,曾竟成,等.天然纖維復(fù)合材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:1-70.

[2] 閆 軍,馮連勛.蒸汽爆破技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,(11):278-280.

[3] 解 英,吳宏武.表面處理方法對(duì)植物纖維增強(qiáng)高分子基復(fù)合材料性能的影響評(píng)述[J].化工進(jìn)展,2010,29(7):1256-1262.

[4] 詹懷宇.纖維化學(xué)與物理[M].北京:科學(xué)出版社,2005:73-80.

[5] Byoung-Ho Lee,Hee-Soo Kim,SenaLee,etal.Biocomposites of Kenaf Fibers in Polylactide:Role of Improved Interfacial Adhesion in the Carding Process[J].Composites Science and Technology,2009,69(15):2573-2579.

[6] 康 鵬,鄭宗明.木質(zhì)纖維素蒸汽爆破預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].可再生能源,2010,28(3):112-114.

[7] Kalia S,Kaith B S,Kaur I.Pretreatments of Natural Fibers and Their Application as Reinforcing Material in Polymer Composites:A Review[J].Polymer Engineering and Science,2009,49(7):1253-1272.

[8] 唐文倩,吳宏武.劍麻增強(qiáng)醋酸纖維素復(fù)合材料的制備與性能研究[J].中國(guó)塑料,2008,22(6):12-18.

Preparation and Properties of PE-HD/Cotton Bast Composites

LIU Shurong,CAO Sujiao,TAN Bin,FEN G Yanhong,QU Jinping＊
(National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Composites were prepared by blending high density polyethylene(PE-HD)with steamexplosion treated cotton bast.The effects of steam-explosion,cotton bast content,and moisture content on the mechanical properties and density of the composites were studied.It showed that steam-explosion improved the mechanical properties of the composites.The mechanical properties of the composites were the best when the content of cotton bast was 30%.The tensile strength of the composites increased with increasing moisture content of cotton bast;however the flexure strength was the best when moisture content was 40%.

cotton bast;fiber;high density polyethylene;composite;steam-explosion;mechanical property;density

TQ325.1+2

B

1001-9278(2011)07-0054-04

2011-03-31

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2009BAI84B06)

＊聯(lián)系人,jpqu@scut.edu.cn