楊慶永,阮芳濤,付應(yīng)平,夏成龍,胡程文,章勁草

(1.安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖241000；2.上海楚江企業(yè)發(fā)展有限公司，上海 200000)

廢舊塑料資源化利用是處置塑料廢棄物的重要手段，能夠緩解資源和環(huán)境壓力。聚乙烯(PE)是應(yīng)用廣泛的熱塑性樹脂，2015—2019年國(guó)內(nèi)年產(chǎn)量均超過1 300萬t[1-2]。PE化學(xué)性能穩(wěn)定，可在自然環(huán)境中長(zhǎng)期留存，易造成白色污染，破壞生態(tài)環(huán)境。而且，廢棄PE形成的微塑料會(huì)通過水、食物等進(jìn)入人體，對(duì)身體健康造成威脅。廢棄PE作為一種有機(jī)高分子材料，是潛在的再生資源，對(duì)其進(jìn)行合理再利用具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[3-4]。目前，廢棄PE回收利用主要有物理法、化學(xué)法等[5-7]。

天然竹纖維是一種理想的纖維增強(qiáng)材料，它不僅具有獨(dú)特的物理、機(jī)械、抗菌性能，而且導(dǎo)濕性良好[8]。竹纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)、耐磨、吸音、隔熱等優(yōu)點(diǎn)，可用于諸多領(lǐng)域。邱玉超等[9]利用木粉、竹粉等植物纖維與廢舊PE進(jìn)行復(fù)合，研究了多單體接枝共聚物在復(fù)合材料中的界面改性作用，證明了用氨基硅烷偶聯(lián)劑對(duì)纖維進(jìn)行處理能夠提高材料的綜合力學(xué)性能。周嚇星等[10]采用注塑成型法將廢舊PE和竹粉制備成竹塑復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)竹粉比例增加時(shí)，竹粉/廢舊PE復(fù)合材料的彎曲性能不斷增強(qiáng)，沖擊性能逐漸下降。復(fù)合材料的性能與竹纖維、樹脂及兩者之間所形成的界面高度相關(guān)，故改善界面相容性是制備性能優(yōu)良的竹塑復(fù)合材料的關(guān)鍵。PE為非極性聚合物，竹纖維表面有大量親水基團(tuán)，故制作竹纖維/PE復(fù)合材料時(shí)，其形成的界面性能較差[11]，通常需要添加界面相容劑來提高兩者間的界面結(jié)合力。何文等[12]通過添加占物料總質(zhì)量5%的順丁烯二酸酐，將竹纖維/PE復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提升了56.2%。

本研究以竹纖維和廢棄PE為原料，采用人工梳理和模壓法制備了竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料，研究了不同含量的竹纖維和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料拉伸、沖擊和彎曲性能的影響，通過觀察沖擊斷面分析了復(fù)合材料的界面結(jié)合性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

竹纖維，山東鑫泰源新型材料科技股份有限公司，采用脫膠與軟化處理工藝，并通過開松去除木質(zhì)素等雜質(zhì)，分離纖維束，改善竹纖維的長(zhǎng)度、細(xì)度和整齊度；PE薄膜，常州高創(chuàng)塑業(yè)有限公司，采用烘箱和紫外光照射促其老化；KH570型硅烷偶聯(lián)劑，山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

JM-A20001型電子天平，諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司；PH-010A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；YLJ-HP300型平板熱壓機(jī)，深圳科晶智達(dá)科技有限公司；WCW-20型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司；XJJ-50S型數(shù)顯簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南恒思盛大儀器有限公司；GP-300C型高清CCD測(cè)量顯微鏡，昆山高品精密儀器有限公司；S-4800型掃描電子顯微鏡，日本日立公司。

1.3 樣品制備

1.3.1竹纖維處理

將脫膠處理的竹纖維置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570型硅烷偶聯(lián)劑水溶液中，浸泡3 h后烘干。

1.3.2制備竹纖維增強(qiáng)PE預(yù)浸料片材

采用模壓成型方式制備竹纖維和廢棄PE質(zhì)量比分別為6∶3、7∶3、8∶3、9∶3和10∶3的5類熱塑性樹脂預(yù)浸料片材，模壓溫度145 ℃，壓強(qiáng)4 MPa，同時(shí)準(zhǔn)備未經(jīng)偶聯(lián)劑處理的竹纖維增強(qiáng)PE作為對(duì)照組。

1.3.3制備竹纖維增強(qiáng)PE復(fù)合板材

對(duì)預(yù)浸料片材進(jìn)行疊層后模壓，模壓溫度150 ℃，壓強(qiáng)6 MPa，時(shí)間5 min，隨后保壓至冷卻，板材尺寸為15 mm×15 mm×3 mm，之后切裁為拉伸、彎曲和沖擊性能測(cè)試樣條。竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料制備過程詳見圖1。

圖1 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料制備過程Fig.1 Preparation process of bamboo fiber/waste PE composite material

1.4 性能測(cè)試

拉伸性能：按GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第1部分：總則》[13]，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試，拉伸速度為2 mm/min，記錄試樣的載荷應(yīng)變，拉伸試樣長(zhǎng)度為150 mm、寬度為13 mm。

三點(diǎn)彎曲性能：按GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測(cè)定》[14]，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量材料的三點(diǎn)彎曲性能，試樣的跨距比為32∶1，寬度為13 mm，長(zhǎng)度比跨度大20%，測(cè)試速度為 2 mm/min。

沖擊性能：按GB/T 1043.1—2008《塑料 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定 第1部分：非儀器化沖擊試驗(yàn)》[15]，采用簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的沖擊強(qiáng)度和吸收能。擺錘能量為7.5 J，沖擊速度為3.8 m/s，擺錘預(yù)揚(yáng)角為160°，支撐線之間的距離為40 mm，試樣長(zhǎng)度為60 mm、寬度為10 mm。

以上所有測(cè)試的有效試樣不少于5個(gè)。

掃描電子顯微鏡(SEM)觀察：通過噴金處理，采用SEM觀察處理前和處理后的竹纖維表面形貌。

破壞面觀察：采用高清CCD光學(xué)測(cè)量顯微鏡，觀察兩個(gè)對(duì)照組沖擊破壞后不同竹纖維含量試樣表面的斷面分層情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 偶聯(lián)劑處理對(duì)竹纖維表面形貌的影響

圖2是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KH570型硅烷偶聯(lián)劑處理前后竹纖維表面SEM圖，可以觀察到處理前的竹纖維表面較光滑，經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的竹纖維表面出現(xiàn)了一層樹脂狀物質(zhì)，偶聯(lián)劑附著在纖維表面，有利于與PE復(fù)合，提高界面相容性。

2.2 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的拉伸性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度見圖3。由圖3可知，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)和溫度條件下，竹纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響最大，改性處理對(duì)其影響次之，改性后復(fù)合材料的拉伸性能均優(yōu)于未改性的復(fù)合材料。對(duì)于相同竹纖維含量(比例)的復(fù)合材料，改性后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大增幅為25.5%。此外，在相同條件下，隨著竹纖維含量的上升，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度先下降后上升，且均在竹纖維與PE質(zhì)量比為8∶3時(shí)最小，性能最差，當(dāng)質(zhì)量比由9∶3上升到10∶3時(shí)，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度變化較小。由此推測(cè)，在145 ℃左右、加壓4 MPa、保溫保壓25 min條件下，竹纖維與PE的質(zhì)量比為6∶3時(shí)，纖維與樹脂基體之間的界面黏合強(qiáng)度較大，對(duì)照組的偶聯(lián)劑能較充分地發(fā)揮其對(duì)竹纖維與PE樹脂間界面黏合性、相容性的改善作用。當(dāng)竹纖維含量升高時(shí)，復(fù)合材料的厚度也會(huì)增加，而原加壓溫度和壓力不足以使PE熔體充分浸漬竹纖維，此時(shí)界面黏合性對(duì)復(fù)合材料性能起主要影響作用，而當(dāng)竹纖維含量增至一定程度時(shí)，纖維總強(qiáng)力、纖維之間的抱合力對(duì)復(fù)合材料性能起主要影響作用。竹纖維與PE的質(zhì)量比由9∶3上升到10∶3時(shí)，復(fù)合材料中竹纖維含量提升較少，且由于PE浸入竹纖維內(nèi)部困難，使得復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。

圖3 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的影響Fig.3 The effect of different contents of bamboo fiber and coupling agent modification treatment on the tensile strength of composite materials

2.3 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的彎曲性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度見圖4。由圖4可知，對(duì)于竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料來說，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)和溫度條件下，竹纖維含量對(duì)復(fù)合材料彎曲性能影響最大，偶聯(lián)劑改性處理次之。對(duì)于改性組和未改性組來說，各比例復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有一定提升。在相同的工藝條件下，當(dāng)竹纖維含量上升時(shí)，不論是改性組還是未改性組，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度均先上升后下降，且在竹纖維與PE質(zhì)量比為7∶3時(shí)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度最大。由于竹纖維含量上升，PE很難浸入竹纖維，其復(fù)合材料受到彎曲作用時(shí)基體發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致彎曲強(qiáng)度降低。

圖4 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對(duì)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of modification treatment of bamboo fiber with different contents and coupling agent on the flexural strength of composite materials

2.4 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的沖擊性能

不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理前后復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度見圖5。由圖5可知，對(duì)于竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料來說，在相同的模壓層數(shù)、壓強(qiáng)與溫度條件下，無論是改性組還是未改性組，當(dāng)竹纖維含量上升時(shí)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度均先上升后下降，各比例改性組的沖擊強(qiáng)度均有不同程度增加，其中竹纖維與PE質(zhì)量比從6∶3提升至7∶3時(shí)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度變化較大，且在質(zhì)量比為7∶3時(shí)達(dá)到最佳，而在質(zhì)量比從7∶3提升至10∶3時(shí)沖擊強(qiáng)度只有小幅增加。對(duì)于相同竹纖維含量的改性組和未改性組，改性組復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度最大增加約 36.03%。此外，在各比例改性組和未改性組內(nèi)，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度極差分別為3.98 kJ/m2和 2.28 kJ/m2。由于竹纖維含量上升，PE浸入竹纖維內(nèi)部困難，其內(nèi)部形成的界面較差，力傳遞時(shí)其界面不足以承擔(dān)其載荷，導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度下降。

圖5 不同含量的竹纖維和偶聯(lián)劑改性處理對(duì)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of modification treatment of bamboo fiber with different contents and coupling agent on the impact strength of composite materials

2.5 竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的破壞面觀察

采用高清CCD測(cè)量顯微鏡，分別對(duì)不同竹纖維含量的復(fù)合材料沖擊破壞面進(jìn)行觀察，部分破壞面如圖6所示。

圖6 試樣的沖擊破壞面Fig.6 The surface of the impact-damaged specimen

如圖6所示，未經(jīng)改性處理的復(fù)合材料試樣，其沖擊破壞面有較為明顯的分層現(xiàn)象，改性處理后試樣的破壞面雖然也存在分層現(xiàn)象，但明顯減少，說明偶聯(lián)劑改性處理對(duì)竹纖維與PE界面黏合性、相容性和黏結(jié)強(qiáng)度的改善作用明顯。此外，在相同的模壓壓強(qiáng)、溫度和模壓層數(shù)條件下，不論是改性組還是未改性組，隨著竹纖維含量的增加，復(fù)合材料沖擊破壞面的分層現(xiàn)象都有逐漸增加的趨勢(shì)，其中改性處理的復(fù)合材料竹纖維與PE質(zhì)量比在6∶3時(shí)幾乎看不到分層現(xiàn)象，而竹纖維與PE質(zhì)量比從7∶3提升至10∶3時(shí)，分層現(xiàn)象逐漸明顯，竹纖維與PE質(zhì)量比在7∶3左右時(shí)，竹纖維與樹脂之間形成的界面性能較好，復(fù)合材料的界面相容性較佳。這主要是因?yàn)橹窭w維含量上升時(shí)，PE浸入竹纖維內(nèi)部較困難，形成的界面較差，所以其分層現(xiàn)象逐漸明顯。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)偶聯(lián)劑處理的竹纖維表面有偶聯(lián)劑附著；偶聯(lián)劑改性處理對(duì)竹纖維與PE界面黏合性、相容性和黏結(jié)強(qiáng)度的改善作用明顯。

(2)竹纖維含量增加，竹纖維/廢棄PE復(fù)合材料的拉伸性能先下降后上升，彎曲性能和沖擊性能先上升后下降。改性前后竹纖維與PE質(zhì)量比分別為9∶3和6∶3時(shí)，復(fù)合材料拉伸性能最好；竹纖維與PE質(zhì)量比為7∶3時(shí)，復(fù)合材料的彎曲性能和沖擊性能最好。