劉麗娜, 張秀斌

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽 110142)

PVC基木塑復(fù)合材料性能的研究

劉麗娜, 張秀斌

(沈陽化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧沈陽 110142)

采用聚氯乙烯和木粉、稻殼粉、果殼粉制備 PVC木塑復(fù)合材料.研究木質(zhì)填料種類、含量和粒徑對復(fù)合材料力學(xué)性能、流變性能和維卡軟化點的影響.結(jié)果表明:木粉含量增加,材料的力學(xué)性能下降,表觀黏度增加;維卡軟化點顯著提高:當(dāng)粒徑為 60目,維卡軟化點由 15份時的 90.1℃升高到 75份時 110.9℃,提高了 23.85%;粒徑減小,力學(xué)性能提高.添加量相同時,PVC/木粉體系的維卡軟化點和表觀黏度較高,稻殼粉體系的綜合力學(xué)性能最佳.

聚氯乙烯; 木塑復(fù)合材料; 力學(xué)性能; 流變性能

以木質(zhì)纖維填料和塑料 (包括廢舊熱塑性塑料)為主要原料,外加一些加工助劑,經(jīng)過成型加工而制得的復(fù)合材料稱為木塑復(fù)合材料(wood-plastic composites,WPC).木塑復(fù)合材料中有機(jī)填料可以鋸末、碎木片、刨花、秸稈、果殼等為原料,經(jīng)過簡單的干燥粉碎處理得到,來源非常豐富,價格低廉.我國每年木材加工業(yè)廢棄的木屑達(dá)數(shù)百萬噸,大米加工業(yè)產(chǎn)生的稻糠數(shù)千萬噸,以及每年成千上萬噸被焚燒掉的秸稈,這些都是木塑復(fù)合材料中木質(zhì)材料的廉價原料[1].由于國內(nèi) PVC行業(yè)發(fā)展迅速,龐大的 PVC消費量相應(yīng)地產(chǎn)生了大量的廢舊 PVC塑料,可這些廢舊塑料的回收利用率還很低,至少 33%的廢塑料成為垃圾[2],給環(huán)境造成了很大污染.廢舊 PVC塑料的回收利用可提高其潛在的附加值,減少環(huán)境污染,還可降低新產(chǎn)品、新材料的生產(chǎn)成本,實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的的雙贏.為解決 PVC的污染,我們選用木質(zhì)纖維填充 PVC樹脂,研制仿木塑料裝飾板材,經(jīng)擠模壓可替代某些木材制品.熱塑性塑料/植物纖維復(fù)合材料在建材、汽車工業(yè)、裝飾材料及日常生活用具等方面都有所應(yīng)用[3],具有廣泛的前景,對復(fù)合材料的研究、新產(chǎn)品的開發(fā)、新產(chǎn)品利用及環(huán)境保護(hù)等方面都有極大的意義.

1 實驗部分

1.1 實驗主要原料

聚氯乙烯 (PVC):SG-8,天津勃天化工有限責(zé)任公司;木粉:30目、60目、100目;稻殼粉、果殼粉:60目,自制;復(fù)合穩(wěn)定劑、硬脂酸、石蠟、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)均為工業(yè)品,市售.

1.2 主要儀器、設(shè)備

開放式塑煉機(jī):SK-160B,上海橡膠機(jī)械廠;平板硫化機(jī):XLB-DQ 400×400×2E型 25 t,青島第三橡膠機(jī)械廠;微機(jī)控制電子萬能實驗機(jī): RGL-30A,深圳市瑞格爾儀器有限公司;懸臂梁沖擊實驗機(jī):XJU-22,河北承德試驗機(jī)廠;毛細(xì)管流變儀:XLY-Ⅱ型,吉林大學(xué)科教儀器廠.

1.3 復(fù)合材料制備

將自制的木粉、稻殼粉、果殼粉在 120℃烘箱內(nèi)干燥 6 h;將 PVC和DOP復(fù)合穩(wěn)定劑、硬脂酸、石蠟在高速混合機(jī)里混合均勻,備用.

將混合好的 PVC和木粉 (稻殼粉、果殼粉)混合,在塑煉機(jī)上塑化,混煉 8 min,出片后于平板硫化機(jī)上模壓成型,然后在另一臺平板硫化機(jī)上、在同等壓力下冷壓,取出模壓片材,在橡塑沖片機(jī)上裁制用于性能測試的標(biāo)準(zhǔn)試樣.

1.4 性能測試

拉伸強(qiáng)度 (斷裂伸長率):拉伸速度 5 mm/ min,參照 GB1040-1992;彎曲強(qiáng)度:實驗速度 5 mm/min,參照 GB/9341-2000;沖擊強(qiáng)度:無缺口沖擊,參照 GB/1043-93;維卡軟化點:參照 GB/ 1633-2000;在 XLY-Ⅱ型毛細(xì)管流變儀上 (長徑比 20/1)測試復(fù)合材料的流變性能.

2 結(jié)果與討論

2.1 木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

2.1.1 木粉含量及粒徑對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖 1為 30目、60目、100目木粉含量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響,同時比較粒徑對復(fù)合材料力學(xué)性能影響.由圖 1可以看出:隨著木粉含量的增加,木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能曾顯著下降趨勢.粒徑為 100目,填充量從 15份到 75份,拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別由 36.88 MPa和89.93 MPa下降到 24.91 MPa和 67.53 MPa.隨著木粉粒徑變小,復(fù)合材料的力學(xué)性能提高,彎曲強(qiáng)度變化顯著,填加 30份時,粒徑由 30目減小到100目,彎曲強(qiáng)度由 72.77MPa提高到 83MPa.

圖 1 木粉含量及粒徑對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig.1 Effects ofwood flour content and particle size on mechanical properties ofWPC

這是因為剛性的木粉與樹脂基體間黏結(jié)不牢,界面強(qiáng)度低,在外力作用下容易造成木粉和樹脂脫離,因而,木塑復(fù)合材料力學(xué)性能下降[4].復(fù)合材料的材料力學(xué)性能隨著木粉粒徑的減小而增大,尤其在 100目時,彎曲強(qiáng)度有較大提高.是因為纖維的活性主要取決于纖維素分子的羥基,這些羥基形成了分子內(nèi)氫鍵或分子間氫鍵,使纖維表現(xiàn)出較強(qiáng)的極性和親水性[5].而PVC為弱極性聚合物,具有疏水性,PVC基體與木粉間的界面潤濕性、界面黏合性極差[6],在木粉界面上很容易形成空洞缺陷,填料顆粒與基體界面脫開后形成空穴,填料顆粒粒徑越大,產(chǎn)生的空穴越大,較大的空穴會導(dǎo)致材料迅速斷裂[7].相對于長度較長的木纖維 (30目),短的木纖維(100目)給予 PVC基體更符合要求的強(qiáng)度和韌性.加工過程中,短纖維的相互纏繞較少,并且具有更強(qiáng)的抗破壞能力,因此,短纖維基本上能保持住他們的特性.此外,復(fù)合材料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的短纖維的比表面積更大,使之與基體的結(jié)合力增大,分散混合更均勻,從而改善力學(xué)性能.

2.1.2 木質(zhì)填料種類對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖 2為 60目木粉、稻殼粉和果殼粉含量對木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響.

圖 2 木質(zhì)填料種類及含量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響Fig.2 Effects of the kind and content ofwoodiness fillers on mechanical properties ofWPC

由圖 2(a)、(b)、(c)、(d)可以看出:隨著木粉、稻殼粉和果殼粉含量的增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能曾顯著下降趨勢.稻殼粉體系的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率高于木粉和果殼粉體系,果殼粉體系的沖擊強(qiáng)度稍高些,而彎曲強(qiáng)度較低,稻殼粉的綜合性能最好.

木質(zhì)填料在填充塑料中填料作為分散相,實際上是被分割在基體樹脂構(gòu)成的連續(xù)相中.在外力作用下基體樹脂從填料顆粒表面被拉開,因承受外力的總面積減小,所以填充塑料的拉伸強(qiáng)度較未填充體系有所下降.這是由于稻殼粉、木粉和果殼粉均為纖維素類填料,主要由纖維素和少量的木質(zhì)素及其它化合物組成,但纖維素的含量不同.理論上纖維長度越長,拉伸強(qiáng)度越大.界面剪切強(qiáng)度越大[8],拉伸強(qiáng)度也越大.而界面剪切強(qiáng)度與相容性有關(guān),相容性越好,界面剪切強(qiáng)度越大.因此,相容性和纖維長度是復(fù)合材料機(jī)械性能的決定因素.在相同的填充量情況下,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度稻殼粉的要稍高于木粉和果殼粉.這和稻殼粉顆粒的幾何形狀有關(guān),稻殼粉顆粒有較大的長徑比,對 PVC起到一定的增強(qiáng)作用;而果殼粉則長徑比小些,對 PVC的增強(qiáng)作用相對差些.

在相同填充量的情況下,填充體系的沖擊強(qiáng)度稻殼粉的低于果殼粉,這與稻殼粉中高纖維素含量有關(guān).纖維素類填料的加入增加了 PVC的剛性,使材料變脆,沖擊強(qiáng)度降低.稻殼粉中纖維素含量高,因而沖擊強(qiáng)度下降的較大.

2.2 木塑復(fù)合材料維卡軟化點

圖 3為 30目、60目、100目木粉和 60目木粉、稻殼粉、果殼粉含量對木塑復(fù)合材料維卡軟化點的影響.

圖 3 木粉、稻殼粉和果殼粉含量對木塑復(fù)合材料維卡軟化點的影響Fig.3 Effects ofwood flour,rice hull powder,shell flour content on VST ofWPC

由圖 3(a)可以看出:隨著木粉填充量的增加,木塑復(fù)合材料的維卡軟化點顯著提高,木粉粒徑對維卡軟化點的影響不顯著,粒徑為 60目,復(fù)合材料的熱變形能力較好,由 15份時的 90.1℃升高到 75份時的 110.9℃.這是因為木粉顆粒屬于天然高分子纖維,它是一種剛性材料,在高溫下變形較小.當(dāng)木粉含量增加時,木粉在體系中的體積比升高,復(fù)合材料的剛性增大,模量升高.同時,PVC大分子鏈的各運動單元由于受到木粉顆粒的限制,熱運動能力變差,減少了PVC大分子鏈因溫度升高而蜷曲的傾向,材料的黏度升高,材料的耐熱變形能力提高.

由圖 3(b)可以看出:隨著木粉、稻殼粉和果殼粉填充量的增加,復(fù)合材料的維卡軟化點呈顯著上升趨勢.這是因為木粉的剛性較稻殼粉高,稻殼粉較果殼粉高,因此,填充 PVC基體時,木粉體系的模量最高,因此維卡軟化點高.

2.3 木塑復(fù)合材料流變性能的研究

2.3.1 填料含量對木塑復(fù)合材料表觀黏度的影響

圖 4為 200℃時 30目、60目、100目木粉和60目木粉、稻殼粉、果殼粉含量對木塑復(fù)合材料表觀黏度的影響.

由圖 4(a)可以看出:隨著木粉填充量的增加,復(fù)合材料的表觀黏度逐漸增大;隨著粒徑的減小,體系的表觀黏度增大.Einsteints曾研究了填料含量對填充體系黏度的影響,并給出了下列方程式:η=η1(l+Kgv2).式中:η1為無填料時的黏度,v2為加入填料后的黏度,Kg為填料常數(shù).對于球形填料Kg的值可取 2.5,因此,隨填料含量的增加[9],流動性變差,體系黏度升高;由于木粉粒徑變小,比表面積變大,接觸面積也增大,摩擦力升高,阻礙了 PVC分子鏈逐運動,因此,流變性能變差,體系的黏度升高.

圖 4(b)為 200℃時,60目木粉、稻殼粉、果殼粉填充量對復(fù)合材料表觀黏度的影響.由圖4(b)可以看出:隨著木粉、稻殼粉、果殼粉含量的增大,體系的表觀黏度增大;填加木粉體系的黏度最高,果殼體系的表觀黏度較低,流動性較木粉和稻殼粉體系好.這是因為果殼體系填充料使用的果殼粉由核桃和栗子果殼經(jīng)機(jī)械粉碎而得,由于含木質(zhì)素較多[10],故流動性較木粉和稻殼粉體系好.

圖 4 木粉、稻殼粉、果殼粉填充量對木塑復(fù)合材料表觀黏度的影響Fig.4 Effects ofwood flour,rice hull powder,shell flour content on apparent viscosity ofWPC

2.3.2 木塑復(fù)合材料表觀黏度與切應(yīng)力的關(guān)系

圖 5為 200℃時木質(zhì)填料為 45份和 75份時,PVC和 PVC木塑復(fù)合材料表觀黏度與切應(yīng)力的關(guān)系曲線.

由圖 5(a)、(b)可以看出:隨著剪切力的增大,木塑復(fù)合材料體系的黏度降低.與 PVC體系相比,加入木粉、稻殼粉、果殼粉體系的切應(yīng)力對復(fù)合材料的表觀黏度影響較大.

這是因為 PVC和 PVC木塑復(fù)合材料為非牛頓流體,在剪切應(yīng)力的作用下,鏈段運動破壞原有的纏結(jié),自身相互纏繞的 PVC分子鏈逐漸解纏結(jié)及 PVC稻殼粉機(jī)械互鎖后的解纏,并沿一定方向逐漸取向,降低了流動阻力,使熔體的表觀黏度下降;PVC為剛性高分子鏈,所以,復(fù)合材料的表觀黏度隨切應(yīng)力增加,下降幅度小.由于實驗使用的木粉、稻殼粉、果殼粉顆粒粒徑較大,自身密度小,木質(zhì)填料在體系中所占體積比增大,隨切應(yīng)力的變化,對高分子鏈段運動影響較大,因此,表觀黏度的變化范圍較大.

圖5 200℃木塑復(fù)合材料表觀黏度與切應(yīng)力的關(guān)系曲線Fig.5 200℃curve of apparent viscosity with shear stress ofWPC

3 結(jié) 論

(1)隨著木粉含量的增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能下降,維卡軟化點和表觀黏度曾顯著上升趨勢,加工性變差;在相同木粉填充量情況下,木粉粒徑減小,復(fù)合材料的力學(xué)性能提高,維卡軟化點無明顯變化,表觀黏度增大.

(2)填加木粉、稻殼粉、果殼粉制備 PVC復(fù)合材料,稻殼粉體系的綜合力學(xué)性能最佳,拉伸強(qiáng)度尤為顯著,木粉體系的維卡軟化點和黏度最高,加工性差;填加木質(zhì)填料,復(fù)合材料表觀黏度較 PVC表觀黏度對切應(yīng)力敏感.

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[4] 孔展,張衛(wèi)勤,方呂,等.PVC/木粉復(fù)合材料的性能研究[J].塑料工業(yè),2005,33(10):17-20.

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Studies on Properties of PVC Based Wood/Plastic Composite Material

L IU L i-na, ZHANG Xiu-bin
(Shenyang U niversity of Chem ical Technology,Shenyang110142,China)

PVC/W ood Plastic Composite(W PC)was prepared by PVC and w ood flour,rice hull pow der and shell flour.The effects of the kind,content and particle size of w oodiness fillers on the m echanical properties,rheological property and V icat temperature softening point w ere discussed.The results show ed that with increasing the w ood flour content,the m echanical properties w ere decreased,and the apparent viscosity and V icat softening temperature point of W PC w ere increased significantly.The V icat softening temperature point(VST)of W PC was increased from90.1℃ to110.9℃w hen content increased from 15phr to75phr,and particle size was60m esh.VST was increased by23.85%.The m echanical properties w ere increased with the decrease of the particle size of w ood flour.The V icat softening temperature point and apparent viscosity of PVC/W ood-flour Composite w ere higher and the comprehensive m echanical properties of PVC/R ice Hull Composite w ere best with the sam e addition am ount.

PVC; w ood plastic composite; m echanical properties; rheological behavior

TQ325.4

A

1004-4639(2010)03-0228-06

2009-10-19

劉麗娜(1985-),女,遼寧新民人,碩士研究生在讀,主要從事高分子材料的填充改性研究.

張秀斌(1959-),男,遼寧沈陽人,教授,主要從事高分子材料的填充、共混改性研究.