巫國富

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

玉米秸稈粉與HDPE基復(fù)合材料制備及力學(xué)性能

巫國富

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545004)

以玉米秸稈粉、硼砂與硼酸混合物及高密度聚乙烯(HDPE)混合擠出制備阻燃性復(fù)合材料。探討玉米秸稈粉、硼砂與硼酸混合物含量對復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：玉米秸稈粉含量為60%時，復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、靜曲強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度最佳，分別為38.07 MPa、65.24 MPa、13.45 kJ·m-2；復(fù)合材料力學(xué)性能隨著硼砂與硼酸混合物含量的增加而降低。

玉米秸稈粉；高密度聚乙烯(HDPE)；復(fù)合材料；力學(xué)性能

隨著石油資源和木材資源的短缺，以來源豐富、可再生和成本低廉的農(nóng)業(yè)秸稈纖維為原料開發(fā)新型綠色環(huán)保生物質(zhì)復(fù)合材料，是21 世紀(jì)最有發(fā)展前景的材料之一[1]，其產(chǎn)品市場將朝著更廣泛、更高端、更專業(yè)、更細(xì)分的方向發(fā)展[2]。農(nóng)作物秸稈是一種可再生的生物質(zhì)資源，我國每年達(dá)7億t以上，廣西是個農(nóng)業(yè)大省，資源非常豐富，年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈4000多萬t，但都沒有得到很好的利用[3]。同時，為了改善木塑復(fù)合材料易燃的缺陷，本研究采用玉米秸稈粉、硼砂與硼酸混合物及高密度聚乙烯(HDPE)混合擠出制備阻燃性復(fù)合材料，探討玉米秸稈粉和硼砂與硼酸混合物含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈采自柳州市沙塘農(nóng)科所，制成過60目的粉；高密度聚乙烯(HDPE)，型號5000S，白色顆粒，中國石油大慶石化公司生產(chǎn)；偶聯(lián)劑采用馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，上海日之升科技有限公司；固體石蠟；硼砂、硼酸，上海紫一試劑廠。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

DHG型9030A立式電熱恒溫干燥箱，上海春佳電熱設(shè)備有限公司；SHR-10A高速混合機(jī)，萊州市東佳化工機(jī)械有限公司；SHJS50/100雙階塑料擠出機(jī)組，南京首瑞橡塑機(jī)械廠；IVMWD-20型微機(jī)控制萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，山東濟(jì)南中創(chuàng)儀器有限公司；組合式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)XJ-50Z，河北承德建德有限公司；XJ-300小型精密裁推臺鋸等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 阻燃性復(fù)合材料制備 本試驗(yàn)選用擠出成型工藝，粒徑60目的玉米秸稈粉烘干到含水率3%左右。分別將玉米秸稈粉、硼砂與硼酸混合物、HDPE、MAPE、石蠟按表1的質(zhì)量百分比稱量好，先用高速混合機(jī)進(jìn)行混合。然后加入雙螺桿擠出機(jī)中熔融混合造粒，雙螺桿溫度設(shè)定為一區(qū)145 ℃，二區(qū)150 ℃，三區(qū)155 ℃，四區(qū)160 ℃，五區(qū)165 ℃，六區(qū)160 ℃，七區(qū)145 ℃，轉(zhuǎn)速設(shè)定為50 r·min-1；最后用單螺桿擠出機(jī)擠出成型，溫度設(shè)定為一區(qū)145 ℃，二區(qū)150 ℃，三區(qū)155 ℃，四區(qū)160 ℃，五區(qū)160 ℃，六區(qū)160 ℃，七區(qū)160 ℃，八區(qū)160 ℃；轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 r·min-1。

表1 阻燃性復(fù)合材料成分

*：硼砂與硼酸混合物為硼砂∶硼酸=1∶1。

1.3.2 力學(xué)性能的測試

1)抗拉強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度測試：使用電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)ASTM-D790標(biāo)準(zhǔn)[4]，把抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度試樣分別制成160 mm×13 mm×4 mm和80 mm×13 mm×4 mm規(guī)格，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)每組重復(fù)5個試樣。

2)無缺口沖擊強(qiáng)度測試：使用XJ-50Z組合式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 1043—1993標(biāo)準(zhǔn)[5]把試樣制成80 mm×10 mm×4 mm規(guī)格，每組重復(fù)5個試樣。

圖1 玉米秸稈粉含量對彎曲和拉伸強(qiáng)度影響

2 結(jié)果與分析

圖2 玉米秸稈粉含量對沖擊強(qiáng)度影響

2.1 玉米秸稈粉含量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由圖1可見，在本研究范圍內(nèi)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度隨著玉米秸稈粉含量的增加呈先增加后減小的趨勢。玉米秸稈粉含量為60%時，彎曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度最大，分別為65.24 MPa、38.07 MPa。這主要是因?yàn)橛衩捉斩挿酆吭谝欢ㄌ砑臃秶鷥?nèi)，對塑料基體具有一定的增強(qiáng)作用，從而使復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大。當(dāng)玉米秸稈粉含量超過一定范圍時，隨著玉米秸稈粉含量的增加，復(fù)合材料力學(xué)性能下降。這或許歸因于以下2方面原因：第一，玉米秸稈粉含量大，玉米秸稈粉中的羥基容易形成分子內(nèi)及分子間氫鍵[5]；第二，玉米秸稈粉含量大，容易形成團(tuán)聚，影響了玉米秸稈粉在PE基體內(nèi)的均勻分布，導(dǎo)致載荷無法有效地從基體向秸稈粉傳遞，最終使得復(fù)合材料力學(xué)性能下降。

圖3 硼砂與硼酸混合物含量對彎曲與拉伸強(qiáng)度影響

圖2表明，隨著玉米秸稈粉含量的增加，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度逐漸降低。玉米秸稈粉由50%增加到70%時沖擊強(qiáng)度降低了3.58 kJ·m-2，下降了24.93%。這表明玉米秸稈粉增加了材料的剛性，降低了復(fù)合材料韌性。由于玉米秸稈粉的加入破壞了HDPE基體的連續(xù)性，導(dǎo)致了兩者界面相容性差。

圖4 硼砂與硼酸混合物含量對沖擊強(qiáng)度影響

2.2 硼砂與硼酸混合物含量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

玉米秸稈粉、HDPE含量固定為60%、40%時，分別加入 2%、4%、6%、8%的硼砂與硼酸混合阻燃劑制備阻燃性復(fù)合材料，其力學(xué)性能見圖3、圖4。圖3、圖4表明，隨著硼砂與硼酸混合物含量的增加，彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度均逐漸減小。當(dāng)硼砂與硼酸混合物含量為8%時，材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度比未添加硼砂與硼酸混合物的材料分別降低了11.61%、15.34%、22.97%；當(dāng)硼砂與硼酸混合物含量為2%時，材料的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度比未添加硼砂與硼酸混合物的材料分別降低了1.44%、1.72%、3.2%。這一結(jié)果也證實(shí)了添加硼砂與硼酸混合物降低了材料的力學(xué)性能，且對材料沖擊強(qiáng)度的影響比對材料彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度影響更大，這一結(jié)果與其他學(xué)者研究的結(jié)果類似[6-8]。歸因于硼砂與硼酸混合物有較低的吸收抗沖擊能量的能力，打亂了玉米秸稈粉與HDPE的連續(xù)相，產(chǎn)生了空洞和孔隙，使得部分應(yīng)力集中，減低了兩者的相容性，導(dǎo)致了力學(xué)性能的降低。

3 結(jié)論

通過調(diào)整玉米秸稈粉與HDPE的比例，可以制備出力學(xué)性能比較好的復(fù)合材料，當(dāng)玉米秸稈粉為60%時，復(fù)合材料綜合力學(xué)強(qiáng)度較好。硼砂與硼酸混合物作為阻燃劑添加，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能；添加量比較少時，對其力學(xué)性能的影響較小，添加量達(dá)8%以上時其力學(xué)性能降低比較大，特別是對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響比較大。在滿足力學(xué)性能要求的條件下，可以通過添加不同比例的配方制造出適合不同要求和場合使用的復(fù)合材料。

[1]Mohanty A K，Mistra M，Drzal L T.Sustainable bio-composites from renewable resources：Opportunities and challenges in the green materials world [J].Polymer Degradation and Stability，2002(3)：19-26.

[2]李靖.我國木塑復(fù)合材料產(chǎn)品市場發(fā)展動向[J].中國人造板，2014(2)：1-3.

[3]梁毅劼，梁秀明，蘭宗寶，等.廣西提高農(nóng)作物秸稈綜合利用率的對策[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008(24)：241-243.

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[5]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 1043—1993硬質(zhì)塑料簡支梁沖擊試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993.

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Mechanical Properties and the Preparation of Corn Stalk Powder and HDPE Composite

WU Guo-fu

(GuangxiEco-engineeringVocationalandTechnologyCollege，Liuzhou545004，Guangxi，China)

The raw materials of corn stalk powder，boric acid (BA) and borax (BX) compounds and high density Polyethylene (HDPE) were mixed to produce flame retardant composite materials by extrusion way.Discussed the effect of the content of corn stalk powder and boric acid (BA) and borax (BX) compounds on the tensile strength，bending strength and impact strength of composite.The results indicated that the tensile strength，bending strength and impact strength of the composite materials reached maximums at the corn stalk powder content of 60 %，respectively 38.07 MPa、65.24 MPa and 13.45 KJ·m-2，and mechanical properties of composite materials decreased with the percentage weight of boron compounds increased.

corn stalk powder；HDPE；composite materials；mechanical properties

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.04.017

2014-11-09；

2015-01-04

廣西高?？蒲许?xiàng)目(功能性秸稈木塑復(fù)合材料制備工藝研究，2013YB324)；廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目(功能性秸稈木塑復(fù)合材料制備工藝研究，201209A)

巫國富(1974—)，男，福建三明人，廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，從事生物質(zhì)復(fù)合材料研究。E-mail：xlwgf001@126.com。

S781.2；TB332

A

1002-7351(2015)04-0080-03