ABS基植物纖維復(fù)合材料性能研究

周春兵 方 勇

(無(wú)錫霓達(dá)美峰橡膠制品制造有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

ABS基木塑復(fù)合材料是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型高性能材料，相較于以往木塑復(fù)合材料，具有更強(qiáng)的剛性，尺寸穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求更高的加工領(lǐng)域。但是ABS基木塑復(fù)合材料很難加工，主要因?yàn)槠錈崛垠w的黏度高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩高(轉(zhuǎn)矩值很容易達(dá)到最大扭矩的80%)、口模壓力波動(dòng)大、熔體嚴(yán)重破壞(尤其在木纖維含量高時(shí)，如重量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí))、擠出不穩(wěn)定。另外木粉在高溫下容易炭化，填充劑也容易分解，導(dǎo)致ABS基木塑復(fù)合材料難以加工[1-5]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

表1 實(shí)驗(yàn)原材料

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

表3 實(shí)驗(yàn)配方

1.4 實(shí)驗(yàn)工藝流程

圖1為本研究實(shí)驗(yàn)工藝流程圖。

圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖

原料處理：因ABS、秸稈粉均是極性較強(qiáng)材料，易吸水，成型前需干燥。條件為100 ℃，干燥4 h。為避免干燥過(guò)程中材料老化，選用抽真空干燥箱。

高速混合：為保證物料混合效果，物料稱取后，利用高速混合機(jī)，1 250轉(zhuǎn)/分混合5 min出料。

流變儀制樣：在220 ℃溫度下，采用不同螺桿轉(zhuǎn)速制樣。

1.5 性能測(cè)試

轉(zhuǎn)矩流變性能測(cè)試：溫度設(shè)置220 ℃，分別在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min情況下，測(cè)試復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩變化。

密度測(cè)定：GB/T 4472—2011。

變色觀察：拍照觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 ABS/植物纖維(WPC)流變性能分析

在220 ℃條件下，利用轉(zhuǎn)矩流變儀，考察不同轉(zhuǎn)速對(duì)WPC材料轉(zhuǎn)矩流變性能影響。

2.1.1 ABS/玉米秸稈粉復(fù)合材料流變性能

圖2為不同螺桿轉(zhuǎn)速下，ABS/玉米秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖，考察流變儀轉(zhuǎn)速對(duì)復(fù)合材料流變性能的影響。六種轉(zhuǎn)速下的扭矩隨時(shí)間的變化趨勢(shì)一致，均是迅速增大到一個(gè)最大值(最大扭矩)，然后下降后逐漸平穩(wěn)(平衡扭矩)；6種轉(zhuǎn)速下復(fù)合材料前期曲線重合，表明扭矩達(dá)到最大值的時(shí)間基本一致，在8～9秒之間；最大扭矩值大小不等，隨著轉(zhuǎn)速的提高，最大扭矩值呈上升趨勢(shì)，數(shù)據(jù)表明復(fù)合材料對(duì)剪切不敏感，不屬于切敏性材料；

塑化時(shí)間定義為復(fù)合材料扭矩不再變化的起始時(shí)間。由圖2可知，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料塑化時(shí)間是逐漸減少的。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，螺桿分散打亂玉米秸稈粉在樹(shù)脂集體中的分布效果提高，因素塑化時(shí)間減少，但扭矩偏高，功率消耗較大。

圖2 ABS/玉米秸稈粉流變曲線圖

2.1.2 ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料流變性能

圖3為不同轉(zhuǎn)速下ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖3可以看出，6種轉(zhuǎn)速下，復(fù)合材料到達(dá)最大轉(zhuǎn)速的時(shí)間基本一致，在8～9秒之間。與玉米秸稈粉不同的是，隨著轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料最大扭矩先減小再提高，50 r/min條件下復(fù)合材料最大扭矩最小，表明ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料對(duì)剪切敏感，可以通過(guò)提高螺桿轉(zhuǎn)速來(lái)提高其加工性能。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料塑化時(shí)間減少。

圖3 ABS/小麥秸稈粉流變曲線圖

2.1.3 ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料流變性能

圖4為不同轉(zhuǎn)速下，ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。數(shù)據(jù)表明，ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料也屬于切敏性材料，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高，復(fù)合材料流動(dòng)性變好，在50 r/min轉(zhuǎn)速下，最大扭矩最小為16.9 N·m。

圖4 ABS/大豆秸稈粉流變曲線圖

2.1.4 ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料流變性能

圖5為不同轉(zhuǎn)速下，ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料最大扭矩及平衡扭矩均不斷增大，復(fù)合材料對(duì)剪切不敏感，復(fù)合材料塑化時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速提高變小。

圖5 ABS/油菜秸稈粉流變曲線圖

2.1.5 ABS/木粉稈粉復(fù)合材料流變性能

圖6為不同轉(zhuǎn)速下，ABS/木粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖6可知，復(fù)合材料平衡扭矩隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加而逐漸升高，復(fù)合材料對(duì)剪切不敏感。高轉(zhuǎn)速縮短了復(fù)合材料塑化時(shí)間，但因轉(zhuǎn)矩升高帶來(lái)較高的能耗。

圖6 ABS/木粉流變曲線圖

2.1.6 ABS/水稻秸稈粉復(fù)合材料流變性能

圖7為不同轉(zhuǎn)速下，ABS/水稻秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖7可知，螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，復(fù)合材料平衡扭矩最小，為7.8 N·m，其余轉(zhuǎn)速下平衡扭矩相差不大，復(fù)合材料具有一定切敏性。隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高，復(fù)合材料塑化時(shí)間減小。

圖7 ABS/水稻秸稈粉流變曲線圖

2.1.7 ABS/植物纖維復(fù)合材料平衡扭矩比較

表4為螺桿50 r/min轉(zhuǎn)速下，6種復(fù)合材料平衡扭矩比較。數(shù)據(jù)表明，在流變儀螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min情況下，5種秸稈粉制備的復(fù)合材料平衡扭矩均小于木粉，說(shuō)明秸稈粉的加工性能優(yōu)于木粉，其中ABS/小麥秸稈粉平衡扭矩最小為9.4 N·m。

表4 六種ABS/植物纖維復(fù)合材料平衡扭矩(螺桿50 r/min)

2.2 ABS/植物纖維復(fù)合材料密度比較

表5為螺桿50 r/min轉(zhuǎn)速下，6種復(fù)合材料密度比較。數(shù)據(jù)表明，在流變儀螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min情況下，5種秸稈粉制備的復(fù)合材料密度均大于木粉，說(shuō)明秸稈粉制備的復(fù)合材料密實(shí)性均優(yōu)于木粉，更有利于制備高性能木塑復(fù)合材料。

表5 六種ABS/植物纖維復(fù)合材料密度(螺桿50 r/min)

2.3 ABS/植物纖維復(fù)合材料熱穩(wěn)定比較

6種植物纖維在干燥過(guò)后，表觀顏色均呈淡黃色，色澤差別不大。在220 ℃工藝條件下，分別制備了ABS/植物纖維復(fù)合材料。通過(guò)顏色比對(duì)，發(fā)現(xiàn)除小麥秸稈粉外，其余5種復(fù)合材料均呈現(xiàn)黑色。圖8展示了，小麥秸稈粉與木粉加工制備復(fù)合材料前后的顏色對(duì)比情況。復(fù)合材料顏色變黑，說(shuō)明在220 ℃條件下，5種植物纖維發(fā)生了碳化現(xiàn)象，而小麥秸稈粉具有更高的耐熱溫度，可以直接與ABS并用制備復(fù)合材料，其余植物纖維需要添加加工改性劑來(lái)解決植物纖維高溫碳化問(wèn)題。

圖8 小麥秸稈粉、木粉制備復(fù)合材料前后顏色比較

3 結(jié)論

(1) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速不斷提高，ABS/植物纖維塑化時(shí)間減少，高螺桿轉(zhuǎn)速有利于復(fù)合材料塑化。

(2) 小麥、大豆、水稻3種秸稈粉制備的復(fù)合材料，隨螺桿轉(zhuǎn)速提高，平衡扭矩先升高再降低，屬切敏性材料，其余3種均逐漸升高，不具備切敏性特點(diǎn)。

(3) 小麥、大豆、水稻、油菜、玉米5種秸稈粉與ABS制備的復(fù)合材料其平衡扭矩均優(yōu)于木粉，其加工流動(dòng)性能更佳，其中小麥秸稈粉制備的復(fù)合材料平衡扭矩最低，為9.4 N·m。

(4) 220 ℃加工條件下，小麥秸稈粉制備的復(fù)合材料未變黑，可直接與ABS并用制備復(fù)合材料。