麥秸粉與HDPE/PP基復(fù)合材料的制備及性能研究

楊兆哲，許 民(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

麥秸粉與HDPE/PP基復(fù)合材料的制備及性能研究

楊兆哲，許 民
(東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，哈爾濱150040)

本文采用麥秸粉為增強體，分別與高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）熱塑性塑料基體采用擠出方式混合制備木塑復(fù)合材料，研究麥秸粉與HDPE、PP的配比對復(fù)合材料性能的影響。利用高速混合機在一定條件下對麥秸粉、熱塑性塑料和其他助劑進行混合，利用雙螺桿擠出機熔融造粒，單螺桿擠出機擠出成型，對制備的麥秸粉/塑料復(fù)合材料進行物理力學(xué)性能測試。結(jié)果表明：加入少量麥秸粉使木塑復(fù)合材料力學(xué)性能降低，隨著麥秸粉含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能呈提高的趨勢；當(dāng)麥秸粉含量超過一定比例時，木塑復(fù)合材料力學(xué)性能降低，且沖擊性能降低明顯；本次試驗HDPE基木塑復(fù)合材料力學(xué)強度略高于PP基木塑復(fù)合材料。

麥秸粉；HDPE；PP；復(fù)合材料；性能研究

1 前言

木塑復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料，主要是將一定比例的木纖維、麻纖維、秸稈碎料等形態(tài)的能保持細胞結(jié)構(gòu)特征的生物質(zhì)材料作為增強體或填料，以熱塑性聚合物為基體，加入不同的添加劑經(jīng)過熔融混合加工成型[1～3]，制備出的復(fù)合材料兼有木材和塑料的雙重特性。木塑復(fù)合材料不僅使用后容易降解，不會造成環(huán)境污染，而且使用可再生的生物質(zhì)資源作為原材料，大大促進了原材料的循環(huán)利用，有利于生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展[4，5]，由于麥秸粉和木粉的來源主要是農(nóng)業(yè)麥草、工業(yè)刨花和鋸屑，這些原材料容易獲得而且價格低廉，用于木塑復(fù)合材的生產(chǎn)不僅最大化了這些木質(zhì)資源的利用效率，而且也在很大程度上緩解了自然資源的緊缺，促進自然生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在過去，有些農(nóng)民常常在收獲季節(jié)就地焚燒秸稈，不僅污染環(huán)境、浪費資源，而且影響交通安全、社會生產(chǎn)和人民生活。在木材資源日趨緊張、人造板原料供應(yīng)不足的情況下，大力開發(fā)秸稈等生物質(zhì)可再生能源，有利于改善人類生存環(huán)境，有利于經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，所以生物質(zhì)復(fù)合材料被認為是21世紀最有發(fā)展前景的材料之一[6]。基于這些原因，把麥秸粉應(yīng)用于復(fù)合材料的研究和生產(chǎn)，使其與熱固性、熱塑性樹脂復(fù)合成為一個新的研究領(lǐng)域。

國內(nèi)關(guān)于麥秸粉用于木塑復(fù)合材料的研究近幾年也正在成為一個新興的研究熱點。該試驗采用麥秸粉和熱塑性塑料高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯（PP）兩種材料進行熔融混合和擠出復(fù)合，制成的復(fù)合材料性能優(yōu)良，具有一定的物理力學(xué)性能和防水性，適合于室內(nèi)外使用。

2 試驗部分

2.1 試驗材料

試驗采用中國石油大慶石化公司生產(chǎn)的型號為5000S的HDPE，白色顆粒；馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）由上海日之升科技有限公司提供，麥秸粉是由陜西金禾農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，含水率3%左右，粒徑100目（150μm）左右。

2.2 試驗設(shè)備及儀器

DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海益恒實驗儀器有限公司；SHR-10A高速混合機，張家港市通沙塑料機械有限公司；SJSH30/SJ45雙階塑料擠出機組，南京橡塑機械廠；纖維含水率測定儀，SC69-OZC型水分快速測定儀，上海第二天平儀器廠；SL-6型塑料壓力成型機，哈爾濱特種塑料制品有限公司；RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗機，深圳瑞格爾REGER儀器有限公司；XJ-SOG組合式?jīng)_擊實驗機，河北承德力學(xué)實驗機有限公司。

2.3 試驗方法

復(fù)合材料的制備：將麥秸粉分別與PP、HDPE的混合物在SJSH30型號的雙螺桿擠出機分別熔融混煉造粒，然后用單螺桿擠出機制得厚度為4 mm的麥秸粉/塑料復(fù)合材料，具體試驗配比方案見表1。

表1 試驗配比方案Table 1 Formulation of experiment

2.4 物理力學(xué)性能測試

1）彎曲性能：按照ASTM—D790標(biāo)準檢測，測試儀器為RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗機，跨距64 mm，運行速度設(shè)置為1.9 mm/min。測得復(fù)合材料的彎曲強度和彎曲模量。

2）沖擊性能：無缺口沖擊強度測試，簡支梁擺錘沖擊試驗按照GB/T 1043—1993標(biāo)準檢測。測試儀器為XJ-50G組合式?jīng)_擊試驗機，沖擊速度為2.9 m/s，擺錘能量為2 J。

3）拉伸性能：按照ASTM D638標(biāo)準檢測，測試儀器為RGT-20A電子萬能力學(xué)試驗機，總長度為165 mm，兩端寬度為19 mm，中間測試部分寬度為13 mm，拉伸速度為5 mm/min。

4）吸水膨脹率：從上述材料上鋸制出20 mm× 20 mm×4 mm試件，按照歐洲標(biāo)準EN 317—1995標(biāo)準檢測。室溫下對其進行水中浸泡，取出濕潤的試件擦干表面的水分后，測量材料的寬度和厚度。

5）密度：從上述材料上鋸制出20 mm×20 mm× 4 mm試件，通過數(shù)字游標(biāo)卡尺測得物塊長、寬、厚，電子天平測得其質(zhì)量，計算得出材料的密度。

3 結(jié)果與討論

將制備好的復(fù)合材料進行物理力學(xué)性能測試，得到數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同麥秸粉質(zhì)量分數(shù)下HDPE、PP復(fù)合材料的力學(xué)性能與物理性能Table 2 Physical and mechanical properties of wood plastic composite of HDPE and PP under different contents of wheat straw

3.1 復(fù)合材料彎曲強度分析

圖1是復(fù)合材料的彎曲強度變化趨勢，可以看出添加不同質(zhì)量分數(shù)的麥秸粉對復(fù)合材料的彎曲性能有影響。從圖1中可以看出，HDPE制得木塑復(fù)合材料，隨著麥秸粉質(zhì)量分數(shù)的增大，材料的彎曲強度呈先增后減的趨勢，當(dāng)麥秸粉含量為60%時，彎曲強度達到最大能值70.54 MPa。PP復(fù)合材料的彎曲強度隨著麥秸粉含量的增加呈逐漸增大的趨勢，當(dāng)麥秸粉含量為70%時，取得最大值72.87 MPa。從表2可以看出，彎曲模量的變化趨勢基本與彎曲強度基本相同，HDPE制的復(fù)合材料，麥秸粉從50%提高到60%時，彎曲強度提高4.76 MPa；PP制的復(fù)合材料，麥秸粉從50%提高到70%時，彎曲強度提高6.27 MPa，由此可見，在一定范圍內(nèi)復(fù)合材料的彎曲強度與彎曲模量隨麥秸粉用量的提高呈現(xiàn)一定的增長趨勢，表明麥秸粉不僅是填料，它還有改進材料的彎曲性能的作用。

圖1 復(fù)合材料彎曲強度Fig.1 Bending strength of WPC

3.2 復(fù)合材料沖擊性能分析

圖2是復(fù)合材料的沖擊強度變化趨勢，沖擊強度隨著麥秸粉含量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，HDPE中，麥秸粉從50%增加到70%時，沖擊強度降低4.24 kJ/m2；PP中，麥秸粉從50%增加到70%時，沖擊強度降低2.33 kJ/m2，這主要是由于麥秸粉是一種良好的增強體，在復(fù)合材料中主要起增加剛性的作用。同時，由于HDPE分子鏈，較PP分子鏈具有更大的柔韌性，當(dāng)受到外力時能夠很好的吸收并轉(zhuǎn)化外力，所以當(dāng)麥秸粉含量一定時，HDPE的復(fù)合材料表現(xiàn)出比PP更好的沖擊強度。

3.3 復(fù)合材料拉伸性能分析

圖3是復(fù)合材料的拉伸強度變化趨勢，從圖中可以看出，HDPE復(fù)合材料的拉伸強度隨著HDPE含量的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，當(dāng)HDPE含量為40%時拉伸強度取得最大值43.07 MPa。PP含量為30%時拉伸強度取得最大值39.33 MPa。同等含量情況下，HDPE復(fù)合材料的拉伸強度要高于PP，其原因主要是HDPE分子鏈較短、體積較小，能夠與麥秸粉產(chǎn)生較強的結(jié)合，來增強其復(fù)合材料的強度，因此當(dāng)塑料與麥秸粉結(jié)合時，HDPE能夠產(chǎn)生比PP更強的界面結(jié)合，因而HDPE的復(fù)合材料表現(xiàn)出更強的拉伸強度。

圖3 復(fù)合材料拉伸強度Fig.3 Tensile strength of WPC

3.4 復(fù)合材料物理性能分析

由表2看出，添加不同質(zhì)量分數(shù)麥秸粉對復(fù)合材料的吸水膨脹率性能有很明顯的影響。隨著麥秸粉含量的增加，吸水膨脹率均有明顯的增大趨勢，原因主要是麥秸粉含量的增加使得復(fù)合材料中游離羥基增加而使材料的吸水性增強。從圖4可以看出，當(dāng)麥秸粉含量保持不變時，HDPE的吸水膨脹率大于PP，其主要是由于HDPE較小的分子體積相對PP龐大的分子體積對麥秸粉的“包裹”程度較小，從而使裸露在外面的麥秸粉產(chǎn)生更強的吸水性。

圖4 復(fù)合材料吸水厚度膨脹率Fig.4 The thickness swelling rate of water absorption of WPC

4 結(jié)語

l)從以上試驗結(jié)果可以看出，在一定工藝條件下，調(diào)整麥秸粉和塑料的配比，能制造出性能優(yōu)異的麥秸粉/塑料復(fù)合材料。

2)秸稈粉在復(fù)合材料中作為增強體，它的添加能夠增強HDPE和PP復(fù)合材料的強度（彎曲強度、彎曲模量、拉伸強度），但當(dāng)麥秸粉含量超過一定比例時，其復(fù)合材料的沖擊強度會明顯降低。

3)從總體上來看，HDPE復(fù)合材料的整體性能要優(yōu)于PP復(fù)合材料。

[1]李 堅.生物質(zhì)復(fù)合材料[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[2]許 民.生物質(zhì)——塑料復(fù)合工學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]嚴濤海.亞麻熱塑性增強復(fù)合材料成型工藝及性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2009.

[4]Lunt J.Large-scale production，properties and commercial applications of polylactic acid polymers[J].Polymer Degradation and Stability，1997：145-152.

[5]郭文靜，鮑甫成，王 正.天然植物纖維可生物降解塑料復(fù)合材料一種完全環(huán)境友好的新型生物質(zhì)復(fù)合材料[C]//全國生物質(zhì)材料暨環(huán)保型人造板新技術(shù)發(fā)展研討會論文集.山東：中國林學(xué)會木材工業(yè)分會，2006：95-98.

[6]Mohanty A K，Mistra M，Drzal L T.Sustainable bio-composites from renewable resources：Opportunities and challenges in the green materials world[J].Polymer Degradation and Stability，2002：19-26.

Study of properties and the preparation of composite of wheat straw and HDPE/PP

Yang Zhaozhe，Xu min
(Key Laboratory of Bio-based Material Science and Technology，Ministry of Education，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China)

The paper is mixing the raw materials of wheat straw as enhanceosome and highdensity polyethylene/pohyprpylene(HDPE/PP)of thermoplastic to produced wood-plastic composite by adopting extrusion way and researching effect about the content of HDPE and PP on the properties of composite.Under a certain conditions，the high-speed mixer mixed the compound of wheat straw powder and thermoplastics and other auxiliaries，and then the compound were melting prilling by twin-screw extruder followed and molding by the single screw extruder.The mechanical properties of composite of wheat straw and thermoplastic were measured. The results indicated that adding a small amount of wheat straw powder caused the reduction of mechanical properties of wood plastic composite，the mechanical properties of wood plastic composite increased with increasing wheat straw powder content，mechanical properties decreased when the content of wheat straw was more than a certain percentage，especially，the impact property decreased obviously；the test indicated that the mechanical properties of HDPE were higher than PP.

wheat straw powder；HDPE；PP；composite materials；performance studies

TS61

A

1009-1742（2014）04-0030-04

2013-12-03

許 民，1963年出生，女，黑龍江安達市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為生物質(zhì)復(fù)合材料和木材保護；E-mail：xumin1963@126.com