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        表面處理麥秸稈對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響

        2015-10-19 10:33:25錢亞杰
        科技視界 2015年29期
        關(guān)鍵詞:木塑偶聯(lián)劑硅烷

        安 晶 錢亞杰

        (1.鹽城工學(xué)院,江蘇 鹽城224051;2.江蘇省宜興中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 宜興214206)

        近些年來(lái)木塑復(fù)合材料逐漸興起,不僅因?yàn)樗?jié)省了大量的資源,而且也不用開采新的資源[1]。木塑復(fù)合材料是一種由木質(zhì)纖維或植物纖維填充改性熱塑性材料再經(jīng)工藝擠出壓制或注射成型代替木材或塑料的新型復(fù)合材料[2]。研究PP和秸稈復(fù)合制成木塑復(fù)合材料的文章較多。從麥秸稈和PP兩種成分的性質(zhì)來(lái)看,一種是麥秸稈,其表面含有大量親水性基團(tuán)的醇羥基,而另一種主要成分是PP,其表面是非極性的[3]。因此讓兩種物質(zhì)更好的結(jié)合在一起,使這種復(fù)合材料優(yōu)于其中任何一種單一材料,成為木塑復(fù)合材料發(fā)展道路上迫切需要解決的重大問題[4]。張東輝[5]采取3種方法,包括加熱烘干、KH570、NDZ105對(duì)稻秸稈粉進(jìn)行處理來(lái)提高兩者的界面相容性;于旻[6]采用NaOH、乙酸溶液浸泡、水熱處理、蒸汽爆破和微波等對(duì)麥秸稈纖維進(jìn)行預(yù)處理的方法來(lái)提高兩者的相容性,其中所用的麥秸稈與PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為50%,質(zhì)量比為1:1。本文不同點(diǎn)是在于旻[6]基礎(chǔ)上采用先用NaOH再用乙酸溶液對(duì)麥秸稈進(jìn)行預(yù)處理,然后復(fù)合偶聯(lián)劑法處理麥秸稈,而且麥秸稈的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%,PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%,質(zhì)量比為1:3,研究表面改性方法和硅烷偶聯(lián)劑用量的不同對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度、沖擊性能和熔體流動(dòng)速率的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原材料

        聚丙烯(PP)石油天然氣股份有限公司;麥秸稈,江蘇省鹽城市南洋鎮(zhèn),高速粉碎機(jī)粉碎,90目;KH550硅烷偶聯(lián)劑,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 主要設(shè)備

        SHR-10A型高速混合機(jī):江蘇張家港市博瑞克械制造有限公司;

        150立式塑料成型機(jī):新威機(jī)械制造廠;

        XJJ-5型沖擊試驗(yàn)機(jī):72型,上海分析儀器廠;

        1.3 秸稈/PP木塑復(fù)合材料的制備

        1)麥秸稈的表面處理

        (1)取秸稈質(zhì)量1%,2.5%,4%,5.5%,7%的硅烷偶聯(lián)劑KH550溶液,與無(wú)水乙醇配成體積比為1:6的稀溶液,之后將烘干后的麥秸稈粉放入高速攪拌機(jī)中攪拌分多次噴入稀溶液,使溶液充分浸漬秸稈,取出干燥。

        (2)將干燥后的秸稈放置在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH中浸泡,調(diào)節(jié)PH值至中性,干燥,再用(a)步驟處理。

        (3)同(b)方法用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%乙酸代替NaOH進(jìn)行浸泡,沖洗,調(diào)節(jié)PH值,干燥,再用(a)步驟處理。

        (4)將干燥后的秸稈放置NaOH中浸泡,沖洗,調(diào)節(jié)至中性后,干燥,接著在乙酸中浸泡,沖洗,調(diào)節(jié)PH值,干燥,再用(1)步驟處理。

        2)秸稈/PP木塑復(fù)合材料的制備

        將處理過(guò)的秸稈粉和PP在高速攪拌機(jī)中混合,用切粒機(jī)造粒,靜置干燥后倒入注射機(jī)料斗熔融塑化成型。

        1.4 木塑復(fù)合材料性能測(cè)試及表征

        拉伸測(cè)試:按照GB/T1040-92以50mm/min速度測(cè)出拉伸強(qiáng)度。

        沖擊測(cè)試:按照GB/T1043-93測(cè)量試樣簡(jiǎn)支梁沖擊強(qiáng)度。

        熔融指數(shù)測(cè)試:測(cè)量10min內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)口模流出的熔體質(zhì)量。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 表面處理和硅烷偶聯(lián)劑用量的不同對(duì)木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響

        隨著偶聯(lián)劑含量的增加,木塑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先上升后下降,在4%處取得拉伸性能的最高值。這是由于硅烷偶聯(lián)劑提高了秸稈纖維與樹脂基體間的界面相容性[7],增強(qiáng)了復(fù)合材料的拉伸性能。在4%之后拉伸強(qiáng)度逐漸下降,原因是多余的硅烷偶聯(lián)劑分子之間結(jié)聚為多分子形成層,減少了硅烷偶聯(lián)劑與聚丙烯樹脂基體之間的有效接觸面積降低了粘合力使界面結(jié)合力反而變差,復(fù)合材料受力時(shí)秸稈纖維易與樹脂基體分開使力學(xué)性能降低。不同處理方法對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響不同,未經(jīng)酸堿處理僅經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理試樣的拉伸性能明顯低于其他經(jīng)過(guò)酸堿處理的試樣,而經(jīng)乙酸處理過(guò)的試樣的拉伸性能最佳,因?yàn)橐宜崮艹溄斩挶韺酉炠|(zhì)和灰分等同時(shí)改變麥秸稈表面的PH值[8],使麥秸稈纖維和聚丙烯樹脂基體間形成很好的黏結(jié)界面,而且酸處理能增加麥秸稈纖維表面的自由基濃度,提高其膠結(jié)強(qiáng)度[9]。分別經(jīng)過(guò)乙酸和NaOH處理的試樣拉伸強(qiáng)度略微低于僅經(jīng)過(guò)乙酸處理的試樣但高于NaOH處理的拉伸強(qiáng)度,原因是NaOH與麥秸稈中羧基反應(yīng)降低其分子間粘合力。

        2.2 不同表面處理和硅烷偶聯(lián)劑用量不同對(duì)木塑復(fù)合材料沖擊性能的影響

        隨著偶聯(lián)劑用量的增加復(fù)合材料的沖擊性能先增大后減小,并且在4%時(shí)沖擊強(qiáng)度最高,這與表面處理的方法導(dǎo)致兩種材料間的相容性不同有關(guān),硅烷偶聯(lián)劑在1%~4%時(shí)的添加量正好提高兩者之間的界面結(jié)合力,而過(guò)多的硅烷偶聯(lián)劑形成的分子層反而降低了麥秸稈纖維與聚丙烯基體間的結(jié)合力[10]。經(jīng)過(guò)乙酸和NaOH處理的試樣沖擊強(qiáng)度略微低于僅經(jīng)堿處理的試樣但高于乙酸處理的試樣,原因是乙酸將麥秸稈中半纖維素分解成單糖[11],纖維素含量減少與堿處理相比試樣反應(yīng)的接觸面少而導(dǎo)致強(qiáng)度降低[12]。

        2.3 不同表面改性方法和硅烷偶聯(lián)劑用量不同對(duì)復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率的影響

        熔體流動(dòng)速率隨著秸稈偶聯(lián)劑用量的增加逐漸上升,用量在1%~4%上升較明顯,超過(guò)4%之后熔體流動(dòng)速率的增速放緩,可能是由于過(guò)多的偶聯(lián)劑分子之間聚集形成的多分子層使熔體流動(dòng)速率受限增速放緩。相比未經(jīng)NaOH處理的試樣,經(jīng)酸堿復(fù)合處理的試樣軟化點(diǎn)得到明顯的提高,耐熱性能得到提高,經(jīng)過(guò)乙酸、NaOH處理的復(fù)合材料熔體流動(dòng)速率最好,這是因?yàn)榘肜w維素,木質(zhì)素的分解,導(dǎo)致纖維結(jié)晶度降低,提高了秸稈纖維分子的分散性,熔融后流動(dòng)性得到提高。

        3 結(jié)論

        1)乙酸和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的木塑復(fù)合材料拉伸性能最好。

        2)NaOH和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的木塑復(fù)合材料的沖擊性能最好。

        3)經(jīng)過(guò)乙酸、NaOH和偶聯(lián)劑復(fù)合處理的材料的熔體流動(dòng)速率最高。

        [1]付文,王麗,劉安華.木塑復(fù)合材料改性研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào),2010(3):61-65.

        [2]朱明源,易紅玲,林珩,等.木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)與流變性能的研究[J].塑料工業(yè),2013,41(2):74-78.

        [3]韓學(xué)鳳,張鵬,易欣欣.農(nóng)作物秸稈的綜合利用[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(3):225-230.

        [4]PickeringKL,AbdallaAJiC,etal.Theeffectofsilanecouplingagentson radiatepinefibreforuseinthermoplasticmatrixcomposites[J].CompositesPartA,2003,34(2):915-926.

        [5]張東輝,何春霞,等.稻秸稈粉/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2010,26(7):380-384.

        [6]于旻,何春霞,等.不同表面處理麥秸稈對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(9):171-177.

        [7]姚正軍,孟召輝,劉小洪,等.麥秸纖維/聚丙烯復(fù)合材料[J].宇航材料工藝,2008,38(3):40-44.

        [8]趙志剛,程可可,張建安,等.木質(zhì)纖維素可再生生物質(zhì)資源預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2006:39-42.

        [9]韓學(xué)鳳,張鵬,易欣欣.農(nóng)作物秸稈的綜合利用[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,18(3):225-230.

        [10]黃麗,白繪宇,姜志國(guó),等.表面改性劑對(duì)植物纖維/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,28(3):85-87.

        [11]趙志剛,程可可,張建安,等.木質(zhì)纖維素可再生生物質(zhì)資源預(yù)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2006:39-42.

        [12]周娜.生物質(zhì)糖化技術(shù)研究[D].天津大學(xué),2011.

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