劉樹榮,曹素嬌,譚 斌,馮彥洪,瞿金平

(華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重點實驗室,廣東廣州510640)

PE-HD/棉稈皮復合材料的制備及其性能研究

劉樹榮,曹素嬌,譚 斌,馮彥洪,瞿金平＊

(華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重點實驗室,廣東廣州510640)

采用蒸汽爆破對含水率分別為30%、40%、50%的棉稈皮進行預處理,并與高密度聚乙烯(PE-HD)復合制備PE-HD/棉稈皮復合材料,研究了蒸汽爆破、棉稈皮含量、棉稈皮含水率對PE-HD/棉稈皮復合材料力學性能和密度的影響。結果表明,與未經(jīng)蒸汽爆破處理的PE-HD/棉稈皮復合材料相比,蒸汽爆破預處理后制備的PE-HD/棉稈皮復合材料的力學性能更好;當棉稈皮含量為30%時,復合材料的綜合力學性能最佳;復合材料的拉伸強度隨棉稈皮含水率的增加而提高;復合材料的彎曲強度在棉稈皮含水率為40%時達到最大值。

棉稈皮;纖維;高密度聚乙烯;復合材料;蒸汽爆破;力學性能;密度

0 前言

植物纖維復合材料是一種環(huán)境友好型材料[1],近年來受到人們的廣泛關注。植物纖維復合材料的開發(fā)將有效減緩植物纖維焚燒和塑料廢棄物對環(huán)境造成的污染,并減少石油基塑料等緊缺資源的消耗。植物纖維來源廣泛、價格低廉。但是,植物纖維具有親水性,而聚合物基體具有疏水性,二者的相容性差,界面黏結強度低,會極大地影響其力學性能。對植物纖維進行改性預處理是提高植物纖維黏結強度的有效途徑之一。蒸汽爆破預處理方法是近年來發(fā)展較快、有效、低成本、無污染的植物纖維改性技術[2],其基本原理是在高壓下,水蒸氣充分潤漲植物纖維后,瞬間泄壓,使纖維發(fā)生膨脹、破裂,導致纖維結構形態(tài)發(fā)生變化[3]。棉稈皮纖維的纖維素含量高、纖維柔韌細長、彈性好、強度高[4],是一種理想的植物纖維增強材料。目前,國內(nèi)關于棉稈皮纖維復合材料的研究報道尚不多。本文采用蒸汽爆破技術對棉稈皮進行預處理,并制備了PE-HD/棉稈皮復合材料,研究了蒸汽爆破預處理、棉稈皮含量及棉稈皮含水率對復合材料力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

棉稈皮,山東省安丘市;

PE-HD,HD7000F,泰國PTT有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電熱鼓風干燥箱,CS1013,重慶實驗設備廠;

電子秤,精度為0.1 g,上海第二天平儀器廠;

分析天平,精度為0.1 mg,上海精密儀器設備廠;

蒸汽爆破裝置,自行設計;

開放式煉塑機,SK-160B,上海橡膠機械廠;

平板硫化機,QBL-25D/Q,無錫市第一橡塑機械設備廠;

臺式萬能材料試驗機,INSTRON 5566,美國 INSTRON公司。

1.3 試樣制備

蒸汽爆破預處理:將棉稈皮浸泡在水中5 h,把棉稈皮含水率分別調(diào)至為30%、40%和50%,然后對棉稈皮進行連續(xù)式蒸汽爆破,將爆破后所得的纖維干燥、密封;

將棉稈皮纖維和PE-HD分別在80℃下干燥6 h,然后對干燥后的纖維和PE-HD進行開煉,實驗配方如表1所示,開煉機前后輥溫度均設為200～210℃,開煉6 min后,將復合材料在平板硫化機上壓片,平板硫化機上下模的溫度均設為200～210℃,模壓壓力為10 MPa,模壓時間為6 min。

表1 實驗配方表Tab.1 Experimental formula

1.4 性能測試與結構表征

按照 GB/T 1040.1—2006測試PE-HD/棉稈皮復合材料的拉伸性能,試樣尺寸為150 mm×10 mm×4 mm,拉伸速度為10 mm/min;

按照 GB/T 9341—2008測試PE-HD/棉稈皮復合材料的彎曲性能,試樣尺寸為80 mm×10 mm×4 mm,測試速度為2 mm/min;

按照 GB1033—1986測試 PE-HD/棉稈皮復合材料的密度。

2 結果與討論

2.1 蒸汽爆破預處理對纖維結構的影響

從圖1(a)可以看出,在未處理的棉稈皮纖維中,由于半纖維素、木質素、果膠等成分具有一定的膠黏性,將纖維細胞粘成直徑較大的纖維束。在蒸汽爆破處理過程中,半纖維素、木質素等成分在高溫水蒸氣的作用下會發(fā)生部分降解,同時,瞬間的泄壓使高溫高壓水蒸氣對棉稈皮纖維產(chǎn)生強大的沖擊力,使纖維結構變松散,纖維變細,纖維表面變粗糙,表面積增大,如圖1(b)所示。

圖1 棉稈皮纖維的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs for cotton bast fibers

2.2 蒸汽爆破預處理對復合材料力學性能的影響

從表2可以看出,當棉稈皮的含水率為40%、含量為30%時,棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破處理后制備的復合材料的拉伸性能和彎曲性能均比未處理時好,其拉伸強度和彎曲強度分別提高了24.95%和12.85%。

表2 蒸汽爆破預處理對PE-HD/棉稈皮復合材料力學性能的影響Tab.2 Effect of steam explosion on mechanical properties of PE-HD/cotton bast composites

圖2 PE-HD/棉稈皮復合材料的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM micrographs for PE-HD/cotton bast composites

從圖2可以看出,棉稈皮未經(jīng)過蒸汽爆破處理時,復合材料中棉稈皮纖維尺寸較大且不均勻,棉稈皮纖維與塑料基體的黏結界面處有較多空隙,棉稈皮纖維的外輪廓清晰可見,界面黏結強度較低,故復合材料的力學性能較差。棉稈皮經(jīng)過蒸汽爆破處理后,復合材料中棉稈皮纖維變細而且均勻,棉稈皮纖維均勻分散在塑料中并與塑料基體緊密結合,界面黏結強度較高,復合材料的力學性能較好。

2.3 棉稈皮含量對復合材料力學性能的影響

從圖3可以看出,含水率相同的棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破預處理后,隨著棉稈皮含量的增加復合材料的拉伸模量逐漸提高,其拉伸強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,并在棉稈皮含量為30%時達到最大值。這是由于棉稈皮纖維是一種柔韌、彈性好、強度高的增強材料,經(jīng)過蒸汽爆破處理后,纖維結構發(fā)生了變化,纖維變得更細但又保留一定的長徑比,增加了棉稈皮纖維與PE-HD基體的接觸面積,同時蒸汽爆破使纖維表面變得更粗糙,提高了纖維與 PE-HD的界面黏結強度,因此隨著棉稈皮含量的增加,復合材料的拉伸強度提高,但是當棉稈皮含量超過30%后,棉稈皮纖維容易發(fā)生團聚而產(chǎn)生應力集中,故拉伸強度開始下降。

圖3 棉稈皮含量對PE-HD/棉稈皮復合材料拉伸性能的影響Fig.3 Effect of content of cotton bast on tensile properties of PE-HD/cotton bast composites

從圖4可以看出,含水率相同的棉稈皮經(jīng)蒸汽爆破預處理后,隨著棉稈皮含量的增加,復合材料的彎曲強度和彎曲模量先增加后下降,在棉稈皮含量為30%時,復合材料的彎曲強度和彎曲模量達到最大值。這是由于棉稈皮纖維本身具有一定的剛性,且通過蒸汽爆破后形成比較細的纖維,經(jīng)開煉分散在PE-HD基體中起骨架作用,能夠有效提高復合材料抵抗形變的能力。當棉稈皮含量超過30%后,棉稈皮纖維不能有效均勻分散,與 PE-HD基體的接觸面積減少,界面黏結強度下降,彎曲強度下降。

圖4 棉稈皮含量對PE-HD/棉稈皮復合材料彎曲性能的影響Fig.4 Effect of content of cotton bast on bending properties of PE-HD/cotton bast composites

2.4 棉稈皮含水率對復合材料力學性能的影響

從圖3可以看出,棉稈皮含量相同時,復合材料的拉伸強度隨著棉稈皮含水率的增加而提高。棉稈皮纖維含水率較低時,棉稈皮纖維在蒸汽爆破過程中容易被炭化,隨著含水率的增加,棉稈皮在蒸汽爆破時的爆破強度增大,纖維變細,表面粗糙度增加,提高了纖維與PE-HD基體的界面黏結強度,復合材料的拉伸強度提高。在棉稈皮含量為10%、20%、50%時,復合材料的拉伸模量隨棉稈皮含水率變化不大;當棉稈皮含量為30%、40%時,復合材料的拉伸模量在棉稈皮含水率為40%時達到最大值。

從圖4可以看出,棉稈皮含量相同時,復合材料的彎曲性能在含水率為40%時達到最佳。這是因為棉稈皮含水率大,蒸汽爆破強度大,纖維變細,纖維本身的剛性降低。含水率過低時,纖維在爆破過程容易碳化,強度下降,骨架作用減小。因此,在影響復合材料彎曲性能上棉稈皮纖維含水率存在一個最佳范圍。

2.5 棉稈皮含量及含水率對復合材料密度的影響

從表3可以看出,復合材料的密度隨著棉稈皮含量的增加而逐漸增大,隨著含水率的增加而稍有下降。純PE-HD的密度為0.9509 g/cm3,添加50%的含水率為30%、40%、50%棉稈皮的復合材料的密度分別比純PE-HD提高了17.2%、16.5%、15.1%。

表3 棉稈皮含量及含水率對復合材料密度的影響Tab.3 Effect of content of cotton bast and its moisture content on density of the composites

3 結論

(1)蒸汽爆破處理后棉稈皮的纖維變細,長徑比變大,表面變粗糙,纖維與 PE-HD基體的黏結強度得到改善,復合材料的力學性能提高;

(2)復合材料的力學性能隨著棉稈皮含量的增加而提高,在棉稈皮含量為30%時,復合材料的力學性能最佳;

(3)蒸汽爆破處理時,棉稈皮含水率對復合材料的力學性能有明顯影響,復合材料的拉伸強度隨含水率增加而提高,彎曲強度在含水率為40%時最佳;

(4)復合材料的密度隨著棉稈皮含量的增加而增大,隨著含水率的增加而稍有下降。

[1] 魯 博,張林文,曾竟成,等.天然纖維復合材料[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:1-70.

[2] 閆 軍,馮連勛.蒸汽爆破技術的研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,(11):278-280.

[3] 解 英,吳宏武.表面處理方法對植物纖維增強高分子基復合材料性能的影響評述[J].化工進展,2010,29(7):1256-1262.

[4] 詹懷宇.纖維化學與物理[M].北京:科學出版社,2005:73-80.

[5] Byoung-Ho Lee,Hee-Soo Kim,SenaLee,etal.Biocomposites of Kenaf Fibers in Polylactide:Role of Improved Interfacial Adhesion in the Carding Process[J].Composites Science and Technology,2009,69(15):2573-2579.

[6] 康 鵬,鄭宗明.木質纖維素蒸汽爆破預處理技術的研究進展[J].可再生能源,2010,28(3):112-114.

[7] Kalia S,Kaith B S,Kaur I.Pretreatments of Natural Fibers and Their Application as Reinforcing Material in Polymer Composites:A Review[J].Polymer Engineering and Science,2009,49(7):1253-1272.

[8] 唐文倩,吳宏武.劍麻增強醋酸纖維素復合材料的制備與性能研究[J].中國塑料,2008,22(6):12-18.

Preparation and Properties of PE-HD/Cotton Bast Composites

LIU Shurong,CAO Sujiao,TAN Bin,FEN G Yanhong,QU Jinping＊
(National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Composites were prepared by blending high density polyethylene(PE-HD)with steamexplosion treated cotton bast.The effects of steam-explosion,cotton bast content,and moisture content on the mechanical properties and density of the composites were studied.It showed that steam-explosion improved the mechanical properties of the composites.The mechanical properties of the composites were the best when the content of cotton bast was 30%.The tensile strength of the composites increased with increasing moisture content of cotton bast;however the flexure strength was the best when moisture content was 40%.

cotton bast;fiber;high density polyethylene;composite;steam-explosion;mechanical property;density

TQ325.1+2

B

1001-9278(2011)07-0054-04

2011-03-31

國家科技支撐計劃項目(2009BAI84B06)

＊聯(lián)系人,jpqu@scut.edu.cn