胡志華，劉建中，付錦鋒，王 林，葉南飚，蔡彤旻

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510520）

注塑級PP基植物纖維增強材料開發(fā)與應(yīng)用

胡志華，劉建中，付錦鋒，王 林，葉南飚，蔡彤旻

（金發(fā)科技股份有限公司，廣東 廣州 510520）

采用自制相容劑制備聚丙烯（PP）基植物纖維增強材料．結(jié)果表明，PP基植物纖維增強材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，流動性優(yōu)良，可以在汽車上廣泛使用．與通用PP，HIPS等材料相比，注塑級PP基植物纖維增強材料的注塑溫度降低約40℃，注塑時間比其他通用樹脂約縮短10%，較大幅度地降低了能耗．

注塑級聚丙烯；植物纖維增強；能耗

近20年來，全球植物纖維增強材料的應(yīng)用迅速發(fā)展．據(jù)德國科隆舉行的2009年木塑復(fù)合材料（WPC）大會報道，目前全球 WPC產(chǎn)量超過150萬噸，其中北美地區(qū)產(chǎn)量以100萬噸高居榜首，中國20萬噸，日本10萬噸和德國7萬噸．《2010～2012年中國塑料行業(yè)市場分析及投資咨詢報告》指出，中國的WPC產(chǎn)品比歐洲地區(qū)的適用范圍更為廣泛，市場更廣闊，中國WPC市場年增長率為30%．但是中國的WPC主要應(yīng)用于擠出型材和托盤等粗放型產(chǎn)品，根據(jù)Principia的統(tǒng)計和預(yù)測，注塑級植物纖維增強材料制品的銷售在整個植物纖維增強材料產(chǎn)品中（不包含壓制成型產(chǎn)品）僅占3%．但在近兩年內(nèi)，將以每年70%的速度發(fā)展［1－2］．

與之同時，綠色環(huán)保成為21世紀(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢和主旋律，這主要由于以石油、天然氣和煤炭為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)，對化石能源的需求和消耗的日趨嚴(yán)重．國務(wù)院總理溫家寶提出要加快發(fā)展低碳經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟，努力占領(lǐng)國際產(chǎn)業(yè)競爭的制高點．最近，國務(wù)院常務(wù)會議提出，要大力發(fā)展綠色經(jīng)濟，并對如何發(fā)展綠色經(jīng)濟做了具體部署，包括培育以低碳排放為特征的新的經(jīng)濟增長點，加快建設(shè)以低碳排放為特征的工業(yè)、建筑、交通體系等．《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006～2020年）》明確將流程工業(yè)綠色化作為優(yōu)先主題的重要內(nèi)容，《國家“十一五”科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》將“綠色制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備”作為國家科技支撐計劃重大項目．植物纖維增強材料采用部分可再生的天然植物纖維替代石油基高分子材料，是圍繞當(dāng)今世界“節(jié)約石油資源、開發(fā)綠色材料、發(fā)展低碳經(jīng)濟和綠色經(jīng)濟”主題的新型綠色材料．

1 實驗部分

1．1 主要原材料和試劑

PP（通用級）；木粉（0．150 mm）；相容劑（自制）．

1．2 主要儀器及設(shè)備

TSE－75A型同向雙螺桿擠出機，南京瑞亞公司；CJ80M3V型注塑機，震德注塑機廠；電子萬能實驗機 H10K－S，Housfield公司；電子顯示沖擊試驗機T92，Tinius Olsen公司；熱重分析儀（TGA）：德國NETZSCH公司；FT－F1型霧化測試儀：山東濟南蘭光機電技術(shù)有限公司．

1．3 試樣制備及測試

將木粉在105℃下烘干2 h，然后將所有原材料在高速混合機中進行混合，采用雙螺桿在170℃下進行擠出造粒．所得的膠料在注塑機上注塑成各種標(biāo)準(zhǔn)的測試樣條，冷卻調(diào)節(jié)24 h后測試．力學(xué)性能根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)測試．

1．4 其他測試方法及條件

1．4．1 霧化測試法

根據(jù)美國通用汽車公司霧化測試標(biāo)準(zhǔn)GMW3225，方法A，將原材料粒料分別放入特制的燒杯中，并蓋上已測定光澤度的特制的霧化實驗專用玻璃片，然后置于加熱溫度為100℃，冷卻溫度為21℃的霧化箱中3 h，取下玻璃片，將其放置于標(biāo)準(zhǔn)實驗室中，1h后測定光澤度，霧化指數(shù)由下式計算：

霧化指數(shù)＝Rf／Ro×100 （1）式（1）中Ro為成霧前玻璃片60°的光澤度值，Rf為成霧后玻璃片60°的光澤度值．

1．4．2 TGA測試條件

在氮氣保護條件下從40℃升溫至700℃，升溫速率為20℃／min．

2 國內(nèi)外同類產(chǎn)品性能對比

注塑級PP基植物纖維增強材料雖然具有優(yōu)良的剛性和尺寸穩(wěn)定性，但是在國內(nèi)外應(yīng)用的發(fā)展速度仍然十分緩慢，主要原因是缺口沖擊強度和無缺口沖擊強度無法滿足部分制品的要求．與傳統(tǒng)的通用塑料注塑件相比，其抗跌落能力及支撐柱受力能力較差，即使在設(shè)計過程中增加制品的壁厚來彌補其不足，但某些部位仍然無法滿足力學(xué)要求，同時也增加單位制件的重量．

表1 各種注塑級植物纖維增強材料的性能對比［3］

從表1可見，當(dāng)植物纖維填充量均為40%時，與國外同類產(chǎn)品相比，本工作所開發(fā)的植物纖維增強材料（KINGFA）在綜合力學(xué)性能和熱學(xué)性能上均具有明顯優(yōu)勢，缺口沖擊強度比國外同類材料高出60%～80%；UNIFill－6040－PP產(chǎn)品的無缺口沖擊強度僅為200 J／m，本工作開發(fā)的材料高達305 J／m，比國外同類材料高出50%；本工作所開發(fā)的植物纖維增強材料的流動性要比同類國外同類產(chǎn)品提高6倍以上，這有利于縮短注塑時間、改善產(chǎn)品外觀和提高材料的力學(xué)性能．

3 植物纖維增強材料的優(yōu)勢

金發(fā)科技股份有限公司自主開發(fā)研制的注塑級PP基植物纖維增強材料除了在力學(xué)和流動性方面相比同類材料具有明顯優(yōu)勢外，在相容性、耐熱氧老化、揮發(fā)氣味及能耗等方面均具有其他產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢．

3．1 基材和纖維的界面結(jié)合

圖1為加入市售普通相容劑的PP基植物纖維增強材料的掃描電鏡照片，圖2為加入自制相容劑的PP基植物纖維增強材料的掃描電鏡照片．從圖可以看出，加入市售普通相容劑后，纖維與PP基體的相容性有所改善，但是纖維與PP基體的界面仍然清晰（圖1）．加入自制相容劑后，植物纖維增強材料中的纖維和PP基體界面變得模糊，PP樹脂完全包覆了植物纖維，表明纖維與基體之間的相容性良好．

3．2 熱氧老化性能

注塑級PP基植物纖維增強材料主要應(yīng)用于家電市場，材料在使用過程中的局部溫度可能達到70～80℃，因此對注塑級PP基植物纖維增強材料進行了80℃，1000 h的老化試驗，研究老化條件對力學(xué)性能的影響．結(jié)果表明，老化前后材料的力學(xué)性能無明顯變化，保持良好，具備了在80℃條件下長期使用的可能性，能滿足家電市場的要求．老化結(jié)果見圖3．

圖1 加入市售普通相容劑的PP基植物纖維增強材料斷面的掃描電鏡照片

圖2 加入自制相容劑的PP基植物纖維增強材料斷面的掃描電鏡照片

圖3 80℃條件下熱氧老化力學(xué)性能變化趨勢（植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）

由于注塑級PP基植物纖維增強材料的熱變形溫度高達135℃，因此測試其在高溫長時間使用情況下的熱氧老化性能．從圖4可以看到，在120℃、相對濕度90%的條件下，選擇適當(dāng)?shù)目寡躞w系，老化后力學(xué)性能保持良好，均在80%以上，因此說明注塑級植物纖維增強材料的耐熱氧老化性能優(yōu)異，可以在高溫下較長時間使用，進一步擴展了材料的使用范圍．

圖4 120℃下熱氧老化力學(xué)性能變化趨勢（植物纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．5%）

3．3 低揮發(fā)氣味性

本工作采用了TGA和汽車材料上所采用的霧化測試法測試在注塑過程中或受熱時揮發(fā)份，研究在使用過程中和注塑過程中出現(xiàn)表面析出等問題．這些表面問題主要是由于植物纖維的耐熱性較差所造成．以馬尾松木材纖維為例，低分子有機物和水分在100℃開始分解，半纖維素和纖維素在200～70℃開始劇烈分解，木質(zhì)素在310℃開始緩慢分解［4］．而這些熱解的產(chǎn)物將對制件外觀和揮發(fā)份產(chǎn)生重要影響．從圖5中可看出植物纖維添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～40%時，PP基植物纖維增強材料在220℃左右出現(xiàn)0．1%的熱失重?fù)p失，結(jié)果明顯要低于普通植物纖維的低分子含量．結(jié)合掃描電鏡照片的觀察表明，在相容劑A和MPP的共同作用下，PP已經(jīng)完全包覆了植物纖維，使得植物纖維的低分子產(chǎn)物較難揮發(fā)，從而大大降低了植物纖維增強材料的揮發(fā)份．

圖5 10%～40%不同植物纖維含量的注塑級PP基增強材料的TGA曲線

表2 霧化測試數(shù)據(jù)

從表2還可以看出，雖然隨著植物纖維含量的增加，其霧化指數(shù)越來越小，但是均能夠滿足一般使用要求．這也證明在高溫使用過程中，有機揮發(fā)份較少，同時也避免了采用普通潤滑體系造成有機揮發(fā)份大、非植物纖維自身氣味明顯的弱點．

3．4 低能耗高效率

以注塑電視機后殼為例，注塑級植物纖維增強材料的注塑溫度在180～200℃，而HIPS的注塑溫度在230～245℃，僅注塑溫度就降低40℃以上；在同一臺注塑機，以32吋液晶電視機后殼為例，以HIPS作為基材，注塑周期為48～50 s，而采用注塑級植物纖維增強材料注塑周期為42～44 s，注塑時間縮短了近10%．由此可見，采用注塑級植物纖維增強材料不僅僅減少石油基樹脂的使用，同時注塑過程中的能耗比通用樹脂低．

4 注塑級PP基植物纖維增強材料在汽車上的應(yīng)用

較多文獻報道了注塑級PP基植物纖維增強材料在汽車、欄桿帽和花盆等制品上的應(yīng)用［1，5］，但是由于其力學(xué)性能、外觀和氣味方面劣于PP、HIPS等通用塑料，因此限制了其應(yīng)用范圍．金發(fā)科技股份有限公司自主開發(fā)的注塑級PP基植物纖維增強材料完全克服該類材料的弱點，采用了自制的相容劑之后，注塑級PP基植物纖維增強材料的力學(xué)性能近似或高于通用級PP，氣味比目前市場上的注塑級PP基植物纖維增強材料要小，同時耐熱性大大提高，熱變形溫度達到130℃以上．目前，金發(fā)注塑級植物纖維增強材料注塑而成的汽車門已經(jīng)通過力學(xué)試驗、耐熱測試、耐老化試驗、氣味測試及裝配測試等一系列通用塑料所必需具備的測試，結(jié)果表明該材料完全可以代替普通的PP樹脂和PP玻璃纖維增強材料，適用于汽車工業(yè)．

5 結(jié) 論

（1）通過與國外不同牌號的植物纖維增強材料對比，金發(fā)科技采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強材料在力學(xué)方面特別是缺口和無缺口沖擊強度方面比同類產(chǎn)品高出約50%；流動性是同類產(chǎn)品的6倍以上．

（2）掃描電鏡的觀察結(jié)果表明，采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強材料中植物纖維與基體樹脂呈現(xiàn)完全相容體系；從TGA和霧化測試上可以進一步證明采用新配方生產(chǎn)的植物纖維增強材料PP樹脂已經(jīng)完全包覆植物纖維．

（3）采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強材料經(jīng)過80℃，1000 h熱氧老化試驗后，其力學(xué)性能保持率均在80%以上，在經(jīng)過120℃，360 h熱氧老化試驗后，力學(xué)性能保持率仍在80%以上．

（4）與通用樹脂PP和HIPS相比，采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強材料的注塑溫度降低40℃以上，成型周期縮短約10%，在減少使用石油基高分子材料的同時又進一步節(jié)省能耗．

（5）采用自制相容劑制備的PP基植物纖維增強材料在汽車的應(yīng)用上得到認(rèn)可，已通過了相關(guān)測試．

［1］SCHUT J H．現(xiàn)代塑料編輯社，譯．注射、壓制成型用木質(zhì)復(fù)合材料［J］．現(xiàn)代塑料，2004（8）：48－52．

［2］王超．聚丙烯PP／木粉復(fù)合材料注射成型的研究［D］．北京：北京化工大學(xué)，2009．

［3］I DES，2010，http：／／www．ides．com／PWeb／obds．a(chǎn)spx？E＝33195．

［4］余瑋，吳新華．八種原料及其主成分熱解的研究——木材熱解機理初探［J］．林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1989（3）：13－22．

［5］黃銳，何陽，錢玉英，等．塑木復(fù)合材料發(fā)展歷史和現(xiàn)狀［C］／／中國塑協(xié)改性塑料專委會七屆理事會會議論文資料集．沈陽：中國塑協(xié)改性塑料專委會七屆理事會，2010．

Development and application of injection moulded nature fiber reinforced polypropylene composites

HU Zhi－h(huán)ua，LIU Jian－zhong，F(xiàn)U Jin－feng，WANG Lin，YE Nan－biao，CAI Tong－min
（Kingfa Sci．＆Tech．Co．Ltd．，Guangzhou 510520，China）

Injection moulded nature fiber reinforced polypropylene（PP）composites（IMNFRPC）were prepared by a home－made compatibilizer．The results showed that compared with similar products at home and abroad，IMNFRPC had excellent mechanical properties，and can be widely used in automobile．The injection moulding temperature of IMNFRPC is about 40℃lower than that of PP or HIPS，and injection cycle is about 10%shorter than that of the general resins，so that it can greatly reduce energy consumption for the production．

injection moulded polypropylene；nature fiber reinforcement；energy consumption

QT327．9

A

1673－9981（2010）04－0752－05

2010－10－20

胡志華（1978—），男，湖北石首人，碩士．