紅麻粉/聚丙烯復合材料性能研究*

易 路 楊建平 郁崇文,3

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 東華大學信息學院，上海 201620；3. 東華大學紡織面料技術教育部重點試驗室，上海 201620

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紅麻粉/聚丙烯復合材料性能研究*

易 路1楊建平2郁崇文1,3

1. 東華大學紡織學院，上海 201620；2. 東華大學信息學院，上海 201620；3. 東華大學紡織面料技術教育部重點試驗室，上海 201620

以聚丙烯(PP)為基體，選用兩種紅麻粉[包括紅麻韌皮粉(KB)、紅麻芯稈粉(KS)]分別作為填料，采用雙螺桿擠出共混造粒及模壓成型方法制備紅麻粉/聚丙烯復合材料，測試了復合材料的力學性能并觀察其微觀結構，分析了KB與KS的含量對復合材料的力學性能的影響，以及采用硅烷偶聯劑進行改性處理對紅麻粉與聚丙烯基體之間的相容性的影響。結果表明：隨著紅麻粉含量的增加，復合材料的拉伸性能逐漸下降，彎曲強度則逐漸增加；當紅麻粉質量分數達到20%時，KB/PP和KS/PP兩種復合材料的彎曲強度都出現最大值，分別為41.33、39.29 MPa；紅麻粉質量分數由5%增加到25%，復合材料的拉伸模量和彎曲模量不斷增加，沖擊強度則出現下降；采用硅烷偶聯劑進行改性處理可以有效地改善紅麻粉與聚丙烯基體之間的相容性。

紅麻粉，共混造粒，聚丙烯，復合材料，力學性能

近年來，天然纖維素纖維/聚合物復合材料作為一種物美價廉的綠色材料，受到了人們越來越多的青睞，并且已廣泛應用于國內外多種行業，例如汽車行業、建筑業、運輸業、航空業等，它能有效減輕材料自重、降低成本[1]。目前，關于苧麻、亞麻等纖維在復合材料方面的應用已有大量的研究，而對于紅麻的研究則較少[2]。

紅麻是一種耐瘠薄土地、氣候適應性強、投入少但產出多的經濟作物，在我國的種植區域廣。因此，我國有著豐富的紅麻原料資源，如果能開發紅麻復合材料，既可以緩解原料短缺，又能降低生產成本，為麻類的綜合應用開發新的途徑[3]。

在復合材料的開發領域，與其他植物纖維相比，紅麻纖維具有密度小及結晶度、取向度、彈性模量較高等特點[4]，很適合加入聚合物樹脂，作為復合材料的增強材料。聚丙烯是一種熱塑性樹脂，不僅有綜合力學性能優、耐腐蝕、無毒性和價格指數低等優良特性，還具有熱固性樹脂所不具備的可重復加工和使用的特點，有利于環保[5]。

本文旨在探討將紅麻作物的韌皮和芯稈應用于制備復合材料的新型領域，并測試復合材料的力學性能。這對于拓寬麻類作物的應用領域有極大的現實意義，并有助于降低聚合物的使用量，進一步倡導可持續發展戰略。

1 試驗部分

1.1 主要原料

聚丙烯，熔融指數36 g/(10 min)，密度0.9 g/cm3，熔點165 ℃，埃克森美孚公司；紅麻粉，研磨成120目，浙江省蕭山區農業科學技術研究所；硅烷偶聯劑，乙烯基三甲氧基硅烷(A-171)，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇，分析純，上海云麗經貿有限公司；醋酸，分析純，上海凌峰化學試劑有限公司。

1.2 試驗設備和儀器

本試驗使用的試驗設備和儀器見表1。

表1 試驗設備和儀器

1.3 紅麻粉/聚丙烯復合材料的制備

1.3.1 麻粉表面改性

將一定質量的紅麻韌皮粉(KB)和紅麻芯稈粉(KS)分別加入到裝有質量分數為95%的乙醇水溶液的三口燒瓶中，進行水浴恒溫加熱并攪拌，溫度為60 ℃；30 min后，用醋酸將溶液體系的pH值調節至3～4，并加入一定質量的硅烷偶聯劑A-171(其用量為麻粉質量的1%～2%)；2 h后，將兩種麻粉懸浮液分別過濾、干燥，即得到改性麻皮粉和改性麻稈粉。

1.3.2 共混造粒

用天平稱取上述制得的改性麻皮粉和聚丙烯(PP)顆粒，其中麻皮粉質量分別占麻皮粉和聚丙烯顆粒總質量的5%、10%、15%、20%、25%；同理，稱取相應質量分數的改性麻稈粉和聚丙烯顆粒。將稱好的改性麻皮粉、改性麻稈粉和聚丙烯顆粒在110 ℃下干燥2 h，然后使用雙錐微型混煉儀進行共混造粒(混煉儀工作參數為加工溫度195 ℃、壓強30～45 MPa、主機轉速160 r/min)，得到改性KS/PP、改性KB/PP共混粒子。

1.3.3 模壓成型制備復合材料

將制得的改性KS/PP、改性KB/PP共混粒子及聚丙烯顆粒分別均勻放入模具中(圖1)，再將模具放在鋪有脫膜紙的鐵板上，再蓋上另一塊鋪有脫膜紙的鐵板，然后放到平板硫化機上進行熱壓。平板硫化機的上加熱板和下加熱板的溫度均設置為195 ℃。 熱壓前預熱5 min，然后設置加壓壓強為3 MPa 進行熱壓，保壓時間為10 min；熱壓結束后進行冷壓，冷壓時間為3 min；最后從模具中取出試樣，即得到紅麻粉/聚丙烯復合材料。

1—平板硫化機加熱板；2—鐵板；3—脫膜紙；4—模具圖1 制備復合材料的加工示意

1.4 測試

將不同質量分數的改性KB/PP、改性KS/PP復合材料及純聚丙烯材料進行拉伸、彎曲和沖擊性能測試，并利用掃描電鏡進行觀察。

1.4.1 拉伸性能

拉伸性能測試按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行，其試樣尺寸如圖2所示。采用電子萬能試驗機進行測試，夾持距離為115.0 mm，加載速度為10 mm/min，對每一種材料分別做5個拉伸試樣。

圖2 拉伸試樣尺寸示意(單位：mm)

1.4.2 彎曲性能

彎曲性能測試按照GB/T 1449—2005《纖維增強塑料彎曲性能試驗方法》進行，其試樣尺寸為80.0 mm×10.0 mm×4.0 mm(長×寬×高)。采用電子萬能試驗機進行測試，其測試裝置如圖3所示，隔距設置為64.0 mm，試驗速度為2 mm/min，對每一種材料分別做5個彎曲試樣。

1.4.3 沖擊性能

沖擊性能測試按照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強度的測定》進行。采用無缺口沖擊試驗，其試樣尺寸和彎曲試樣相同，為80.0 mm×10.0 mm×4.0 mm(長×寬×高)。使用懸臂梁沖擊試驗機進行測試，夾具、試樣和沖擊刃安裝如圖4所示，其中，試樣中部被夾于夾具之間，上端露出夾具表面(40.0±0.2)mm，沖擊刃距離夾具表面(22.0±0.2)mm，擺錘沖擊速度為2.9 m/s，對每一種材料分別做5個沖擊試樣。

L—試樣長度；h—試樣厚度；R—加載上壓頭圓角半徑；l—跨距；r—支座圓角半徑；P—載荷；1—試樣支架；2—加載上壓頭；3—試樣 圖3 彎曲性能測試裝置示意

1—沖擊刃；2—夾具棱圓角；3—與試樣接觸的夾具面；4—固定夾具；5—活動夾具；6—試樣；7—夾具表面 圖4 夾具、試樣和沖擊刃安裝示意(單位：mm)

1.4.4 掃描電鏡(SEM)觀察

采用日本立式TM3000型掃描電鏡。取拉伸性能測試中的試樣斷裂截面，制成5.0 mm×2.0 mm的樣品并粘于載物臺上，經真空濺射鍍金后進行觀察，加速電壓10 kV。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

純聚丙烯及改性KB/PP、改性KS/PP復合材料的拉伸性能測試結果如表2所示。

表2 純聚丙烯及改性KB/PP、改性KS/PP復合材料的拉伸性能測試結果

注：KB/PP表示紅麻韌皮粉/聚丙烯復合材料；KS/PP表示紅麻芯稈粉/聚丙烯復合材料

由表2的測試結果可以看出，隨著紅麻粉質量分數的增加，復合材料的拉伸強度逐漸減小，其中紅麻粉質量分數為25%時，改性KB/PP、改性KS/PP復合材料的拉伸強度分別比純聚丙烯材料下降了35%和40%左右。一方面，可能是紅麻粉的含量增加導致其分散性變差、聚集現象加劇，由此引起的應力集中和產生缺陷的概率變大，使得復合材料的拉伸強度下降；另一方面，可能是紅麻粉的加入打破了聚丙烯分子排列的規整性，從而不利于復合材料的拉伸強度。從表2還可以看出復合材料的拉伸模量不斷增加、斷裂伸長率不斷減小，這說明復合材料的剛性不斷增強，紅麻粉在聚丙烯基體中起到了應力集中的作用[6]，而且應力集中導致其斷裂伸長率下降。

2.2 彎曲性能

隨著紅麻粉質量分數的增加，復合材料的彎曲強度都逐漸上升，如圖5所示。當紅麻粉的質量分數達到20%時，改性KB/PP和改性KS/PP復合材料的彎曲強度都出現最大值，分別為41.33、39.29 MPa。而且，當紅麻粉的質量分數為10%及以上時，改性KB/PP復合材料的彎曲強度開始顯著大于改性KS/PP 復合材料。這是由于麻皮的韌性強于麻稈，且麻皮比較質密，而麻稈是中空結構，因此后者的力學性能不如前者。

圖5 不同質量分數的紅麻粉/聚丙烯復合材料的彎曲強度

復合材料的彎曲模量也隨著紅麻粉質量分數的增加而不斷增加，如圖6所示。這表明紅麻粉的加入使得其與聚丙烯的復合材料的彎曲剛度有一定提高。

圖6 不同質量分數的紅麻粉/聚丙烯復合材料的彎曲模量

圖7 不同質量分數的紅麻粉/聚丙烯復合材料的沖擊強度

2.3 沖擊性能

圖7為紅麻粉質量分數與紅麻粉/聚丙烯復合材料的沖擊強度的關系。由圖7可以看出，紅麻粉/聚丙烯復合材料的沖擊強度呈現下降趨勢，且改性KB/PP復合材料的沖擊強度大于改性KS/PP復合材料，這是由于麻皮的密度大于麻稈，相同質量分數下，麻稈占據聚丙烯基體的體積大，導致弱節增加，改性KS/PP復合材料的沖擊性能弱于改性KB/PP復合材料。當紅麻粉質量分數由5%增加到25%時，改性KB/PP、改性KS/PP復合材料的沖擊強度分別由20.30、17.23 kJ/m2下降為11.32、10.56 kJ/m2。一方面，可能是紅麻粉起到了應力集中的作用，使材料變脆，沖擊強度降低，這點從文獻[6]中可以得到支持；另一方面，隨著紅麻皮或紅麻稈的質量分數增加，紅麻粉逐漸占據基體的體積，而聚丙烯的含量不足以包覆所有紅麻粉表面，因此，紅麻粉和聚丙烯的黏結性降低，使得復合材料的沖擊強度下降。

2.4 掃描電鏡觀察結果

圖8為純聚丙烯材料的拉伸斷裂面SEM照片，可以看出，純聚丙烯材料的拉伸斷裂面表面光滑，屬于脆性斷裂，斷裂面上幾乎沒有塑性變形，只有很小的起伏，這與文獻[7]的結論一致。

圖8 純聚丙烯材料的拉伸斷裂面SEM照片

圖9為紅麻粉/聚丙烯復合材料的拉伸斷裂面SEM照片。從圖中(a)和(b)可以看出，經過偶聯劑處理的KB和KS與PP之間的黏結性較好，相容性也較好，分散得比較均勻，復合材料的斷裂面比較粗糙。而從圖中(c)和(d)可以看出，未經過改性處理的紅麻粉與聚丙烯之間的相容性較差，出現了空隙，聚丙烯基體與紅麻粉之間的界面清晰，界面結合較差，表明兩者的黏結性較弱，纖維的抽拔較為容易。這表明以硅烷偶聯劑對紅麻粉進行處理能有效改善紅麻粉和聚丙烯基體之間的相容性，提高兩者的界面黏結性。文獻[8]研究表明，硅烷偶聯劑處理麻纖維可以極大地改善天然植物纖維與塑料的相容性，提高天然植物纖維增強塑料復合材料的物理力學性能。

(a) 經偶聯劑處理的改性KB/PP復合材料

(b) 經偶聯劑處理的改性KS/PP復合材料

(c) 未經偶聯劑處理的改性KB/PP復合材料

(d) 未經偶聯劑處理的改性KS/PP復合材料

3 結論

(1) 隨著紅麻粉質量分數的增加，紅麻粉/聚丙烯復合材料的拉伸強度、沖擊強度、斷裂伸長率逐漸下降，其彎曲強度、彎曲模量和拉伸模量不斷增加。

(2) 改性KB/PP復合材料的力學性能優于改性KS/PP復合材料，這主要由麻皮和麻稈結構的差異所導致。

(3) 采用硅烷偶聯劑對紅麻粉進行改性處理能有效改善紅麻粉與聚丙烯基體之間的相容性，提高兩者的界面黏結性。

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Research on kenaf powders/polypropylene composites’ properties

YiLu1，YangJianping2，YuChongwen1,3

1. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China；2. College of Information, Donghua University, Shanghai 201620, China; 3. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

Choosing polypropylene(PP) as the matrix, and two kinds of kenaf powders including kenaf bast powder (KB) and kenaf stalk powder (KS) as the filler respectively, kenaf powders/polypropylene composites were prepared by twin-screw blending extruder and moulding process. The mechanical properties of the composites were tested and the micro structure of the composites were observed. The effects of the content of KB and that of KS on the mechanical properties of the composites, as well as the effects of the modification treatment by means of silane coupling agents on the compatibility between the kenaf powder and PP matrix, were analyzed. The results showed that, with the increasing content of kenaf powder, the tensile properties of the composites gradually decreased, but the flexural tenacity gradually increased; when the weight content of kenaf powder was up to 20%, the flexural strength of the KB/PP and that of the KS/PP composites both reached a maximum value at 41.33 and 39.29 MPa respectively; with the weight content of kenaf powder ranging from 5% to 25%, the tensile modulus and flexural modulus of the composites both increased, and however, the impact strength reduced; the modification treatment by means of silane coupling agents could effectively improve the compatibility between the kenaf powder and PP matrix.

kenaf powder，blending extruder，polypropylene，composite，mechanical property

2016-05-31

易路，男，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向為

郁崇文，E-mail: yucw@dhu.edu.cn

TB332

A

1004-7093(2016)10-0015-06

*國家麻類產業技術體系建設專項資金(CARS-19)

紅麻粉/聚丙烯復合材料性能