建筑用皮粉基高分子復合材料制備研究*

雷海濤，許 圓

(咸陽職業技術學院,陜西咸陽 712000)

聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等以石油作為原料的通用型合成樹脂以其良好加工性與耐久性,深受建筑領域、汽車制造領域、食品包裝領域歡迎,是多領域不可或缺的主要材料[1]。然而在化石資源開采規模不斷擴大的趨勢下,不可再生資源逐步減少,環境問題日益突出,生態環保開始倍受社會大眾關注。所以,尋找可替代合成樹脂的材料已是必然趨勢。然而,合成樹脂制品在使用完被丟棄的時候,其耐久性反而成為了缺陷,在自然界中難以降解,因此會嚴重影響整個生態系統。據此研發生物降解材料與高價值生物資源,便成了現代化經濟與社會發展的主要研究課題[2]。對此,本研究以廢棄皮粉為原料,基于機械共混方法,制備了聚丙烯/ 廢棄皮粉高分子復合材料。

1 實驗

1.1 原料

中國石油化工股份有限公司生產的聚丙烯(PP)[3]；自制聚乙烯馬來酸酐接枝物(PE-g-MAН)；自制廢棄皮粉(SLFs):經過鞣制之后的牛皮下腳料粉碎；汽巴精化有限公司生產的抗氧劑1010 與抗氧劑168。

1.2 儀器

哈爾濱哈普電氣有限公司生產的轉矩流變儀；日本Нitachi 公司生產的掃描電鏡；深圳市新三思材料檢測有限公司生產的萬能拉力實驗機；上海傾技儀器儀表科技有限公司生產的懸臂梁沖擊試驗機；瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司生產的熱失重分析儀[4]。

1.3 制備

基于80℃真空干燥箱內將廢棄皮粉與聚乙烯馬來酸酐接枝物進行烘干處理,1d 之后,把聚丙烯、聚乙烯馬來酸酐接枝物、廢棄皮粉按照表1 具體配方,采用轉矩流變儀器內,于220℃溫度狀態與50r/min 轉速狀態下機械共混,以獲取聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料,壓片制成試樣,進行性能測試分析。

表1 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料配方（質量份）Table 1 Polypropylene/waste leather powder composite material configuration

1.4 性能測試

掃描電鏡測試表征廢棄皮粉形態[5]:基于無水乙醇為溶劑,溶解廢棄皮粉。將包含廢棄皮粉的乙醇溶液進行超聲振蕩,0.5h 之后,在銅臺上放置少量懸濁液,在乙醇完全揮發之后,進行噴金處理后測試。通過聚丙烯/廢棄皮粉復合材料沖擊斷面測試廢棄皮粉在聚合物基體內所呈現的分散狀態,斷面噴金處理之后詳細觀察分析。力學性能測試[6]:測試聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料拉伸性能與沖擊性能。熱失重性能測試[7]:即取定量聚丙烯/廢棄皮粉復合材料放置于TGA,處于氮氣氣氛下由室溫狀態上升到700℃,升溫速度為10℃/min。

2 結果分析

2.1 廢棄皮粉SEM 表征

廢棄皮粉是鞣制處理之后的牛皮下腳料通過機械粉碎,并過篩之后所獲取的生物質材料,屬于天然蛋白質纖維[8]。為準確認識并使用廢棄皮粉,以掃描電鏡進行了廢棄皮粉測試分析,所得電鏡掃描結果如圖1 所示。

圖1 廢棄皮粉電鏡掃描圖Fig.1 SEM image of waste leather powder

由圖1 可知,廢棄皮粉屬于束狀纖維狀結構,纖維相對疏松,且具備長徑比,由其形態可以發現,廢棄皮粉就基體聚合物而言,可有效發揮增強增韌效用。

2.2 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料沖擊斷面SEM 表征

廢棄皮粉屬于氨基酸類材料,分子結構具備極性強大的-NН 與-CО 基團,而聚丙烯屬于非極性聚合物材料,基于相似相容原理,廢棄皮粉與聚丙烯在經過物理共混處理之后,則會呈現顯著的非相容性,以此便會出現明顯彼此分離現象,如此一來就會導致復合材料力學性能有所降低[9]。對此為提升廢棄皮粉與聚丙烯間的相容性,以聚乙烯馬來酸酐接枝物作為廢棄皮粉與聚丙烯間的相容劑,使得二者實現相容。

聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料沖擊斷面SEM 表征結果如圖2 所示。

圖2 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料沖擊斷面SEM 圖Fig.2 SEM of impact section of polypropylene/waste leather powder composites

由圖2(a) 可知,復合材料存在彼此分離的現象,即聚乙烯馬來酸酐接枝物以不規則球形形狀散布于聚丙烯基體內。這主要是由于聚乙烯馬來酸酐接枝物具備極性,聚丙烯屬于非極性材料,二者溶解度參數存在差異,以此導致聚乙烯馬來酸酐接枝物以海島結構儲存于聚丙烯基體內。

由圖2(b)～(e) 可知,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料中的廢棄皮粉含量持續性增加狀態下,復合材料斷面出現了顯著性變化。首先,在廢棄皮粉含量少于15 份時,其相對均勻地散布于聚丙烯基體內,特別是在廢棄皮粉含量處于10～15 份時,其在聚丙烯基體內的分散處于最佳均勻形態,而含量超過15 份之后,廢棄皮粉在聚丙烯基體內便出現了較為明顯的團聚；其次,在廢棄皮粉用量不斷增加的趨勢下,大量皮粉由聚丙烯基體中被抽出,導致聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料斷面發生了韌性斷裂；再次,廢棄皮粉與基體間并未出現太過明晰的分離現象。

由圖(f)可知,不存在聚乙烯馬來酸酐接枝物的聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料,其中束狀廢棄皮粉與基體間發生明顯分離。因此,聚乙烯馬來酸酐接枝物在廢棄皮粉與聚丙烯間發揮著相容劑作用,通過加入接枝物,可有效保障廢棄皮粉在聚丙烯中的均勻分散。

由圖2 可知,聚乙烯馬來酸酐接枝物在基體聚丙烯與廢棄皮粉間發揮著有效的增容效果,這主要是由于聚乙烯馬來酸酐接枝物與廢棄皮粉發生化學反應,使得聚乙烯馬來酸酐接枝物分子上存在反應活性強大的酸酐基團,其與廢棄皮粉分子上存在的-NН 出現酸堿反應,以此促使廢棄皮粉與聚乙烯馬來酸酐接枝物間生成了鍵能強大的化學鍵,但長鏈聚乙烯鏈段和聚丙烯之間可相容,因此聚乙烯馬來酸酐接枝物在聚丙烯與廢棄皮粉間發揮著載體效用,使得極性廢棄皮粉在聚丙烯中得以均勻分散,進而強化了聚丙烯與廢棄皮粉間的相互作用力。

2.3 復合材料的拉伸性能

不同廢棄皮粉含量下聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的拉伸性能結果見表2。

表2 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料的拉伸性能Table 2 Tensile properties of polypropylene/waste powder composites

由表2 可知,在廢棄皮粉含量不斷增多時,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料拉伸強度呈現出隨之先增大的狀態,但是在廢棄皮粉含量超過15 份之后,復合材料拉伸強度卻出現了一定程度下降；在廢棄皮粉含量逐漸增加時,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的斷裂伸長率卻表現為不斷下降的狀態,二者為負相關關系。據此可以發現,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的拉伸強度與廢棄皮粉含量、廢棄皮粉于基體內的分散形態息息相關。因為廢棄皮粉與聚乙烯馬來酸酐接枝物間存在強大的化學鍵[10],有助于廢棄皮粉均勻分散于基體內,所以在廢棄皮粉含量逐步增加時,復合材料拉伸強度也隨之增大,然而在廢棄皮粉含量超出15 份時,其在基體內發生了太過明晰的團聚,導致廢棄皮粉分散失衡,發生應力集中,最終使得復合材料拉伸強度出現下降態勢。

2.4 復合材料的沖擊性能

不同廢棄皮粉含量下聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的沖擊性能見表3。

表3 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料的沖擊性能Table 3 Impact properties of polypropylene/waste powder composites

由表3 可知,在廢棄皮粉含量增加時,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的沖擊性能隨之先增大,而在廢棄皮粉含量超出15 份的時候,復合材料的沖擊性能卻出現了下滑。而相比相同廢棄皮粉含量下復合材料,缺少聚乙烯馬來酸酐接枝物作為相容劑的聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料沖擊性能相對偏低,據此可以發現,復合材料沖擊性能直接受廢棄皮粉含量和在基體中的分散狀態,以及聚乙烯馬來酸酐接枝物的直接影響。而廢棄皮粉與聚乙烯馬來酸酐接枝物間存在強烈的化學鍵,可吸收沖擊能,因此可提高聚丙烯/廢棄復合材料沖擊性能。

2.5 復合材料的耐熱性能

基于熱失重測試以表征材料耐熱性能,不同廢棄皮粉含量下聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料的耐熱性能測試結果見表4。

由表4 可知,廢棄皮粉含量5 份時,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料耐熱性能較高,其他含量時,相對于純聚合物,復合材料耐熱性能較低。這主要是由于廢棄皮粉為生物質有機物,耐熱性能較差,以此造成聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料耐熱性能不佳。

表4 聚丙烯/廢棄皮粉復合材料熱失重溫度（℃）Table 4 Thermogravimetric loss of polypropylene/waste leather powder composites

3 結論

廢棄皮粉屬于束狀纖維狀結構,纖維相對疏松,且具備長徑比,就基體聚合物而言,可有效發揮增強增韌效用；聚乙烯馬來酸酐接枝物在基體聚丙烯與廢棄皮粉間發揮著一定的增容效果,使得廢棄皮粉在聚丙烯中得以均勻分散,進而強化了聚丙烯與廢棄皮粉間的相互作用力；隨廢棄皮粉含量不斷增多,聚丙烯/ 廢棄皮粉復合材料拉伸強度隨之先增大后下降,斷裂伸長率卻表現為不斷下降的狀態；在廢棄皮粉含量增加時,聚丙烯/廢棄皮粉復合材料的沖擊性能隨之先增大,而在超出15份時,卻出現了下滑；廢棄皮粉含量5 份時,聚丙烯/廢棄皮粉復合材料耐熱性能較高,其他含量時,相對于純聚合物,復合材料耐熱性能較低。