馬一越，王耀武，劉昱君，郝琛韜，劉希艷，黨藝旋

(西安工程大學(xué) 協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 西安710048)

木塑復(fù)合材料是近年興起的一種新型復(fù)合材料。將木纖維或植物組分充分混合后和熱塑性塑料按照一定比例加工后得到增強(qiáng)改性熱塑性材料即為木塑復(fù)合材料，其中植物組分主要包含有木粉、植物纖維、果殼等材料[1]。傳統(tǒng)的木塑復(fù)合材料的基材為高密度聚乙烯(HDPE)和木質(zhì)纖維，決定了其自身具有塑料和木材的某些特性。對(duì)HDPE基木塑復(fù)合材料來說，木纖維中主要含有纖維素和木質(zhì)素等，且含有親水性的官能團(tuán)如羥基和酚羥基[2]。但是聚烯烴類的樹脂屬于不親水性的非極性樹脂，木粉與聚烯烴類樹脂復(fù)合得到的材料在力學(xué)性能上有所欠缺[3]。 針對(duì)傳統(tǒng)的木塑復(fù)合材料的一些缺點(diǎn)，如強(qiáng)度和韌性不夠等，可以采取添加纖維的方法進(jìn)行增強(qiáng)，常用的增強(qiáng)纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸等。但由于成本及工藝等其他問題，通常向傳統(tǒng)的木塑復(fù)合材料中添加芳綸。芳綸是現(xiàn)在復(fù)合材料中應(yīng)用極為廣泛的一種纖維，其具有高比模量、高比強(qiáng)度及較低的密度等優(yōu)點(diǎn)[4]。

因其化學(xué)惰性,芳綸與基體的界面結(jié)合不夠強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外在芳綸表面處理這方面做了許多的研究，但是由于工藝等問題，實(shí)際應(yīng)用的卻不多。作者首先制備了HDPE基木塑復(fù)合材料，探討了木粉用量及不同偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響；然后通過添加芳綸布制備了芳綸布增強(qiáng)HDPE基木塑復(fù)合材料，探討了芳綸布添加量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

HDPE：中國(guó)石化齊魯石化公司產(chǎn)；木粉：木材加工廠提供；馬來酸酐改性聚丙烯(MA-PP)、硬脂酸、液體石蠟、鈦酸脂偶聯(lián)劑：北京化學(xué)試劑公司產(chǎn)；硅烷偶聯(lián)劑：南京曙光化工集團(tuán)產(chǎn)；芳綸布：東莞市索維特特殊線帶有限公司產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

SHR-10A 型高速混合機(jī)：北京塑料機(jī)械廠制；SJSH30雙螺桿擠出機(jī)：南京橡膠機(jī)械廠制；SK-160開放式煉塑機(jī)、QLB-50平板硫化機(jī)：上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司制；CTM2200微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：協(xié)強(qiáng)儀器制造(上海)有限公司制；DHG-9625A干燥箱：上海一恒科技有限公司制。

1.3 HDPE基木塑復(fù)合材料的制備

將木粉在80 ℃左右的干燥箱中放置3 h進(jìn)行干燥處理，并進(jìn)行偶聯(lián)劑處理，在HDPE樹脂中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，3%，4%，5%，6%的木粉，將HDPE樹脂、木粉均勻混合，得到的顆?；旌狭辖?jīng)160 ℃雙輥塑煉機(jī)塑化5 min均化并成黏流態(tài)，然后將其按照模具的大小進(jìn)行拉片，拉片后放到模具中，并用平板硫化機(jī)在240 ℃、16 MPa條件下壓制成復(fù)合材料的試件。

1.4 芳綸布增強(qiáng)HDPE基木塑復(fù)合材料的制備

首先將HDPE、木粉、MA-PP、液體石蠟、硬脂酸按質(zhì)量比為55:40:3:1:1在高速混料機(jī)中混合；再將螺桿擠出機(jī)提前預(yù)熱，螺桿各區(qū)溫度設(shè)定為150，160，160，165，165，160，150 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為28 r/min，將混合后的材料經(jīng)過雙螺桿擠出機(jī)造粒；得到的顆粒料經(jīng)160 ℃雙輥塑煉機(jī)均勻塑化5 min并成黏流態(tài)，然后將其按照模具的大小進(jìn)行拉片，拉片后放到模具中，再將芳綸布按照尺寸裁剪好放到模具中，并用平板硫化機(jī)在240 ℃、16 MPa條件下壓制成復(fù)合材料的試件，試件中芳綸布質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，1%，2%，3%。

1.5 拉伸性能測(cè)試

將復(fù)合材料放入注塑機(jī)中，并根據(jù)注塑機(jī)調(diào)整合適的溫度大約為140 ℃，將其注塑壓力保持4.9 MPa穩(wěn)定4 h后，制得復(fù)合材料測(cè)試樣條，按GB 50608—2010《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》測(cè)試復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，測(cè)試樣長(zhǎng)度150 mm，寬度20 mm，厚度2 mm，拉伸速度10 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 木粉用量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

從圖1可以看出：當(dāng)使用的其他材料相同時(shí)，HDPE基木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著木粉用量的增加而降低；在不加木粉的情況下，HDPE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)14.15 MPa；當(dāng)加入的木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度大幅降低至6.12 MPa，繼續(xù)增加木粉用量，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化不大。

圖1 木粉用量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

這是因?yàn)橄驑渲屑尤肽痉蹠r(shí)，隨著木粉增多，木粉會(huì)以較大的尺寸分散在HDPE中，使木粉聚集在一起，不能均勻分散，使復(fù)合材料有更大概率產(chǎn)生缺陷等情況[5]，所以其拉伸強(qiáng)度會(huì)降低。

2.2 偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

將HDPE 與木粉按質(zhì)量比50∶50混合，木粉分別被硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸脂偶聯(lián)劑處理，偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%(相對(duì)木粉質(zhì)量)。從表1可以看出，與未用偶聯(lián)劑處理木粉相比，使用硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸脂偶聯(lián)劑處理木粉所得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均有所提高，且使用硅烷偶聯(lián)劑所得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)6.83 MPa，相比未用偶聯(lián)劑處理木粉所得復(fù)合材料(拉伸強(qiáng)度4.57 MPa)提高49.45%。這是因?yàn)樵诠柰榕悸?lián)劑中含有能夠與木粉中的羥基(—OH)發(fā)生反應(yīng)的硅烷氧基(—SiOR)及與樹脂發(fā)生反應(yīng)的碳鏈，這樣便使木粉與HDPE之間的結(jié)合更加牢固[6]，具有更好的界面性能，從而提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度。

表1 偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

2.3 芳綸布增強(qiáng)HDPE基木塑復(fù)合材料的拉伸性能

從圖2可以看出：在未添加芳綸布時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度為20.56 MPa；隨著芳綸布添加量增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度逐步提高，當(dāng)復(fù)合材料中芳綸布質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別為40.53，47.74，54.52 MPa，相比于未添加芳綸布的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度分別提高了97.13%，132.19%，165.28%。

圖2 芳綸布添加量對(duì)HDPE基木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響

因?yàn)殡S著芳綸布的加入，復(fù)合材料在拉升過程中的拉伸應(yīng)力會(huì)通過界面剪切從基體傳遞到芳綸布，能夠有效減少纖維束脫黏的現(xiàn)象，從而提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度[8]。

從圖3可看出：未添加芳綸布時(shí)，HDPE基木塑復(fù)合材料的拉伸模量為1.25 GPa；隨芳綸布添加量的增加，復(fù)合材料的拉伸模量也隨之增加，當(dāng)添加芳綸布質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，2%，3%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸模量分別達(dá)2.12，2.15，2.24 GPa，與未添加芳綸布的復(fù)合材料相比，分別提高了69.6%，72.0%，79.2%。這是因?yàn)閺?fù)合材料在拉伸過程中大部分載荷被芳綸布分擔(dān)，而芳綸布具有較高的模量也起到了一定的作用，隨芳綸布的增加復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量也會(huì)隨之提高[8]。

圖3 芳綸布添加量對(duì)HDPE基木塑復(fù)合材料拉伸模量的影響

3 結(jié)論

a.對(duì)于HDPE基木塑復(fù)合材料，木粉的增多會(huì)使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降。使用硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸脂偶聯(lián)劑處理木粉所得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均有所提高，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%硅烷偶聯(lián)劑處理木粉所得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到6.83 MPa，提升49.45%。

b.在HDPE基木塑復(fù)合材料中添加芳綸布，可以提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。當(dāng)添加芳綸布質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別達(dá)54.52 MPa和2.24 GPa，與未添加芳綸布相比分別提高了165.28%，79.2%。