稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉復合材料性能研究

呂懷興 涂重丹

摘 要 研究了稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉的不同配方組成對其復合材料吸水性、拉伸性能、彎曲性能及沖擊性能的影響；另外也研究了在稻殼粉的添加量為30%，塑料/橡膠粉的占比為6/4的配方組成條件下，討論不同偶聯劑（Si69、SZ11及M603）對復合材料沖擊性能的影響。結果表明，稻殼粉的添加可提高復合材料剛性，橡膠粉量的添加可以提高復合材料韌性；M603對提高稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉復合材料基體的相容性效果突出。

關鍵詞 稻殼粉；再生HDPE；橡膠粉；復合材料

稻殼粉來源于水稻生產的剩余物，我國是水稻生產大國，稻殼來源豐富[1-2]。橡膠粉來源于汽車的廢舊輪胎，其制備工藝簡單、價格低廉[3]。通過將稻殼粉、再生HDPE粒子及橡膠粉制備得到復合材料，一方面解決稻殼粉和橡膠粉回收利用問題，另一方面，充分利用其本身的特性可以制備出功能性得到改良的復合材料[4-5]。在稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉三元復合材料中，三相單元所起作用不同；其中，稻殼粉相當于“骨架”，起到支撐作用，再生HDPE基體相當于復合材料中的“膠黏劑”成分，將三相材料結合在一起，橡膠粉則起到增韌的作用，因此三者的配比不同將對材料的力學強度、界面結合等產生較大的影響[6-8]。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

再生HDPE（高密度聚乙烯）粒子，回收廢舊日用中空容器，熔體流動速率0.8g/10min；稻殼粉，60～100目，市售；橡膠粉，60目，黑色粉末；潤滑劑，復合型潤滑劑（STR-530），上海光裕化工有限公司，白色粉末；偶聯劑，硅烷偶聯劑（Si69），雙[（三乙基硅烷）-丙基]四硫化物，南京曙光化工集團公司，淡黃色液體；馬來酸酐接枝聚乙烯（SZ11），黃山貝諾科技有限公司，接枝率0.6-1.2%，白色顆粒；類馬來酸酐單體與乙烯的無規共聚物（M603），美國杜邦公司，白色顆粒。

1.2 實驗設備及儀器

平行雙螺桿擠出機，CTE20，上海科創橡塑機械設備有限公司；5L高速攪拌機；微機電子控制萬能機，CMT5504，美斯特工業系統（中國）有限公司；液晶控制擺錘沖擊試驗機，ZBC1251-C，美斯特工業系統（中國）有限公司；注塑成型機，EM80-V，震雄塑料有限公司；電子天平，AL204/01，湖北友德測控技術有限公司。

1.3 試樣的制備

將稻殼粉和橡膠粉于100℃真空烘箱中烘干24h，至其含水率到0.5%以下，待用。按量稱取各配置物料，經高速均混，逐次投料進行混煉、勻化和擠出造粒；其中螺桿轉速 30r/min，喂料速度為7.2 r/min；擠出機喂料區溫度設置為 165℃，塑化和勻化區溫度為 175℃。造粒粒子注塑成型，得到測試用的拉伸樣條、彎曲樣條及沖擊樣條；其中樣條尺寸分別為150mm×10mm×4mm（啞鈴型）、80mm×10mm×4mm及80mm×10mm×4mm（有缺口）。

2 結果與討論

2.1 稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉復合材料配比對其性能影響

通過控制稻殼粉+再生HDPE+橡膠粉的份數為100份，改變稻殼粉的添加比例和再生HDPE與橡膠粉的占比，進行配方實驗；其中固定每組配方中偶聯劑（SZ11）的添加量為占稻殼粉含量的5%，潤滑劑（STR-530）為占稻殼粉、再生HDPE、橡膠粉三者總量的2%。具體各配方組成如表1所示。

從圖1分析可得，在固定稻殼粉添加量的條件下，隨著再生HDPE/橡膠粉中橡膠粉占比的增加，試樣的吸水率均得到提高；在固定再生HDPE/橡膠粉占比的條件下，隨著稻殼粉添加量的增加，試樣的吸水率也均得到提高。其中的原因可能是，稻殼粉的吸水性能好和橡膠粉量的增多，造成稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉基體的連續性和均質性變差[4]。

（2）力學性能影響

從圖2可以得出，在固定稻殼粉添加量的條件下，隨著再生HDPE/橡膠粉中橡膠粉占比的增加，拉伸樣條的拉伸強度均得到降低；在固定再生HDPE/橡膠粉占比的條件下，隨著稻殼粉添加量的增加，拉伸樣條的拉伸強度均得到提高。其中的原因可能是，稻殼粉含量的增加，其可以在再生HDPE基體中很好的分散，并形成連續相；另外稻殼粉的加入也可以在基體材料中起著剛性填充的作用[5-7]。

從圖5分析可得，在固定稻殼粉添加量的條件下，隨著再生HDPE/橡膠粉中橡膠粉占比的增加，試樣的沖擊強度均得到提高；在固定再生HDPE/橡膠粉占比的條件下，隨著稻殼粉添加量的增加，試樣的沖擊強度均得到降低。結果表明：稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉復合材料中稻殼粉含量的增加，可以提高試樣的剛性；橡膠粉含量的增加可以提高試樣的韌性[8]。

2.2 偶聯劑對復合材料力學性能影響

結合2.1節內容，稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉的復合材料配比對其性能影響的測試結果，選定復合材料各項性能較折中的組成配比組成；其中稻殼粉的添加量為30%，再生HDPE/廢橡膠粉的占比為6/4，添加不同種類的偶聯劑，研究不同種類的偶聯劑添加量對復合材料力學性能影響。

從圖6的測試結果所示：在選用Si69作為偶聯劑時，試樣的沖擊強度隨著偶聯劑添加量的增加而增加；但當Si69的添加量達到10%時，再繼續增加Si69的添加量，其對試樣的沖擊強度影響較小。故分析得出在此配方組成中最適的Si69添加量為10%。另外分別添加偶聯劑SZ11和M603時，得到其最適的添加量分別為5%及2%。由于偶聯劑的加入可提高稻殼粉/再生HDPE料/橡膠粉的復合材料相與相間的相容性，提高基體的致密性，故使得到的復合材料具有較優的沖擊強度；此外，偶聯劑的作用效果從好到差依次為：M603、SZ11、Si69。馬來酸酐類偶聯劑（M603和SZ11）的作用效果優于硅烷類偶聯劑（Si69），類馬來酸酐無規共聚乙烯型偶聯劑（M603）由于分子鏈上的類馬來酸酐基團更多，故其偶聯效果也要優于馬來酸酐接枝聚乙烯型偶聯劑（SZ11）。

3 結束語

稻殼粉/再生HDPE/橡膠粉的復合材料中，在固定稻殼粉添加量的條件下，隨著再生HDPE/橡膠粉中橡膠粉占比的增加，試樣的吸水率和沖擊強度隨之均得到提高，試樣的拉伸強度和彎曲強度（模量）隨之均得到降低；在固定再生HDPE/橡膠粉占比的條件下，隨著稻殼粉添加量的增加，試樣的吸水率、拉伸強度及彎曲強度（模量）均得到提高，試樣的和沖擊強度隨之均得到降低。

另外在稻殼粉的添加量為30%，再生HDPE/橡膠粉的占比為6/4的配方組成中，最適的Si69、SZ11及M603添加量分別為10%、5%及2%；偶聯劑的作用效果從好到差依次為：M603、SZ11、Si69。

參考文獻

[1] 彭思來，蔡紅珍，柏雪源，等.稻殼粉/聚乙烯復合材料性能研究[J].林產工業，2007，34（1）：24-26.

[2] 何春霞，薛盤芳，顧紅艷.稻殼粉/PP復合材料的力學性能[J].高分子材料科學與工程，2010，26（1）：62-65.

[3] 靳玲，謝孝建，李瑞海.橡膠粉的表面接枝改性及其表征[J].合成橡膠工業，2007，30（4）：290-293.

[4] 陳玲.木橡塑三元復合材料的制備及性能研究[D].南京：南京林業大學，2015.

[5] 孫妍，陳玲，徐信武，等.木粉/廢舊橡膠粉/HDPE三元復合材料的微孔結構及拉伸性能[J].東北林業大學學報，2016，44（2）：65-74.

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[7] Adel Ramezani Kakroodi，Yasamin Kazemi，Denis Rodrigue. Mechanical， rheological， morphological and water absorption properties of maleated polyethylene/hemp composites： Effect of ground tire rubber addition [J]. Composites：Part B Engineering，2013，（51）：337-344.

[8] Luo Jianlin，Li Qiuyi，Shang Huaishuai，Gao Song. Mechanical and damping properties of wood plastic composite modified by ground wasted rubber tire[J]. Plastics and Recycling Technology，2017， 33（3）：127-138.