向 帥，何 慧，莫 輝

（華南理工大學(xué)材料學(xué)院，廣東廣州 510641）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然資源被消耗的越來越快，整個(gè)自然環(huán)境遭受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而森林資源是眾多自然資源中受到威脅最嚴(yán)重的，因?yàn)樗c整個(gè)人類生活的環(huán)境以及人們的日產(chǎn)生活的各個(gè)方面有著緊密聯(lián)系。木塑復(fù)合材料（WPC）綜合了木材和高分子材料的眾多優(yōu)點(diǎn)，可在很多領(lǐng)域代替木材的使用，是一種新型的環(huán)保材料，已越來越受到社會(huì)各界的重視[1-2]。但受材料本身以及加工設(shè)備的影響，木塑復(fù)合材料的剛性還有待進(jìn)一步提高。纖維增強(qiáng)改性是改善復(fù)合材料力學(xué)性能的常用方法，添加纖維可以大幅度提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，但在復(fù)合材料中直接添加纖維易造成纖維分散不均、復(fù)合材料力學(xué)性能較差、對(duì)加工設(shè)備磨損較大等問題。原位成纖技術(shù)是采用拉伸、牽引作用使分散于基體樹脂中容易形成纖維的聚合物通過取向、變形原位形成微纖化的手段，由于材料中的纖維不用預(yù)先制備，且聚合物纖維在加工過程中對(duì)設(shè)備磨耗較小，因此原位成纖技術(shù)近年來在制備高性能合金材料中得到發(fā)展[3-5]。將聚酯纖維用于木塑復(fù)合材料中以提高WPC 的力學(xué)性能，是近年來木塑材料領(lǐng)域的一個(gè)研究方向[6]。本論文采用原位成纖技術(shù)，研究在木塑復(fù)合材料中加入含有再生聚酯（r-PET）纖維的母料，分析聚酯母料的加入對(duì)聚丙烯（PP）木塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 實(shí)試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

PP：牌號(hào)T30S，中石化廣東茂名石化分公司；r-PET（再生PET）：市售，東莞拓展實(shí)業(yè)有限公司； 抗氧劑1010：市售；桉木粉：80 目。

1.2 樣品制備

將r-PET 在110℃下干燥4h，按照配方將原料稱量后共混，將混合物置于雙螺桿擠出機(jī)中熔融共混，擠出機(jī)各段溫度控制在255℃左右，螺桿轉(zhuǎn)速控制在80r/min，采用兩種不同的加工方式制取聚酯母料：（1）共混物熔融擠出——擠出造粒——干燥，得到母料1#；（2）共混物熔融擠出——熱拉伸——壓延制膜——淬冷——破碎——干燥，得到母料2#（工藝如圖1 所示）。然后將兩種不同的母料與干燥后的木粉、PP 在180℃下熔融開煉5min，然后再硫化機(jī)下熱壓5min，最后冷壓定型后按照標(biāo)準(zhǔn)裁制成標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合材料樣條（工藝如圖2 所示）。

圖1 兩種聚酯母料的制備工藝圖 Fig.1 The process routing of two master batches

圖2 復(fù)合材料的制備工藝圖 Fig.2 The process routing of the composite material

1.3 測(cè)試與表征

拉伸試驗(yàn)按GB/T 1040-1992 標(biāo)準(zhǔn)在室溫下測(cè)試，測(cè)試速度為20mm/min，采用I 型試樣；彎曲強(qiáng)度和模量按GB/T 9341-2000 標(biāo)準(zhǔn)在室溫下測(cè)試，測(cè)試速度為20mm/min；缺口沖擊試驗(yàn)按照ASTM D256 進(jìn)行測(cè)試。

采用HITACHI 公司的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡S-4300 對(duì)復(fù)合材料沖擊斷面直接進(jìn)行察；刻蝕形貌采用熱的二甲苯將樣品沖擊斷面表面刻蝕9min～10min，并送入真空干燥箱抽真空，然后在50℃下干燥4h 后進(jìn)行表面觀察。

采用熔融指數(shù)儀7201 對(duì)復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件：加熱溫度為230℃，載荷為2.16kg。

采用維卡軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀HDT 3VICAT 按GB/T 1633-2000 對(duì)復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件：載荷為49.05N，升溫速率為120℃/h，液體傳熱介質(zhì)為硅油。

2 結(jié)果與討論

2.1 PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的力學(xué)性能

采用不同加工工藝得到三種PP/r-PET/WF 復(fù)合材料，其力學(xué)性能隨著r-PET 加入量不同的變化趨勢(shì)如圖3 所示。曲線a 代表直接添加r-PET 所制備的木塑復(fù)合材料，曲線b 代表添加未經(jīng)微纖化母料1#所制備的木塑復(fù)合材料，曲線c 代表添加經(jīng)微纖化母料2#所制備的木塑復(fù)合材料。從圖中可知，采用不同的加工方式，r-PET 對(duì)材料的力學(xué)性能的影響不一樣，其中拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和無缺口沖擊強(qiáng)度從優(yōu)到差的次序分別是：2#母料＞1#母料＞直接添加r-PET；并且從曲線c 中可以看出，采用原位成纖技術(shù)，隨著r-PET 含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量則逐漸增加，其中當(dāng)r-PET 含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)。

圖3 r-PET 含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響 Fig 3 Effect of r-PET content on mechanical properties of composites

不同加工工藝制得的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料力學(xué)性能的差異是由于三種不同復(fù)合材料中r-PET 以不同的形態(tài)分布在基體材料中。將聚酯纖維直接加入到PP 基木塑復(fù)合材料中，由于PP 與PET 是不相容的兩種聚合物，簡單的共混，不僅不能起到增強(qiáng)的作用，反而會(huì)大幅降低材料的力學(xué)性能；采用母料法在一定程度上可改善樹脂與植物纖維的分散作用，但只有當(dāng)聚酯纖維以微纖結(jié)構(gòu)存在時(shí)，才有利于復(fù)合材料力學(xué)性能的提高。

2.2 PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的形貌結(jié)構(gòu)

2.1.2 未經(jīng)刻蝕復(fù)合材料沖擊斷面的SEM 圖

采用SEM 直接觀察復(fù)合材料的沖擊斷面，對(duì)比了采用兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料中分散相的微觀形態(tài)。從圖4 可知，采用母料技術(shù)制備的PP 木塑復(fù)合材料中聚酯纖維的分散都較為均勻，兩種不同的母料方法制備的復(fù)合材料中r-PET 的微觀形態(tài)完全不一樣，與加有1#母料的復(fù)合材料相比，加入2#母料的復(fù)合體系的沖擊斷面具有明顯的取向結(jié)構(gòu)，隨著聚酯用量的增加，這種取向的纖維進(jìn)一步增多。

圖4 未經(jīng)刻蝕的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的SEM 圖 Fig.4 SEM morphology of PP/r-PET/WF composites without corrosion

2.2.2 經(jīng)二甲苯刻蝕復(fù)合材料沖擊斷面SEM 圖

為了進(jìn)一步觀察r-PET 在復(fù)合材料中的取向以及分布狀況，將兩種不同的復(fù)合材料的沖擊斷面在沸騰的二甲苯中進(jìn)行刻蝕處理。

從圖5 可以看出，直接擠出得到的母料，并不能在復(fù)合體系形成微纖結(jié)構(gòu)，r-PET 以球狀或橢球狀分布在復(fù)合材料中。經(jīng)過原位成纖處理后，從刻蝕過的電鏡照片可以清楚的看到r-PET 的微纖結(jié)構(gòu)，纖維在三元復(fù)合體系中具有良好取向，并且隨著r-PET 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚酯纖維的微纖化結(jié)構(gòu)更為明顯，且分散均勻。

圖5 經(jīng)刻蝕的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的SEM 圖 Fig.5 SEM morphology of PP/r-PET/WF composites with corrosion

2.3 PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的耐熱性和加工性

對(duì)比了兩種母料法制備的復(fù)合材料的維卡軟化溫度，如表1 所示，復(fù)合材料的維卡軟化點(diǎn)隨著r-PET 加入量的增加而增大，且2#母料的加入更加有利于復(fù)合材料維卡軟化點(diǎn)的提高。

表1 兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料 的維卡軟化點(diǎn) Tab.1 The Vicat temperature of PP/r-PET/WF composites

表2 是兩種不同母料法制備的PPS/r-PET/WF復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率（MFR），從表中可以看出，由于2#母料中，聚酯纖維有更好的纖維取向性，纖維的取向?qū)?fù)合材料的流動(dòng)性有一定影響，故1#母料體系的MFR 大于2#母料體系。

表2 兩種不同母料法制備的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料的MFR Tab.2 The Melt Flow Rate of PP/r-PET/WF composites

3 結(jié)論

(1)采用三種不同方法制備PP/rPET/WF 復(fù)合材料，添加經(jīng)微纖化母料2#制備的PP 木塑復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能優(yōu)于添加未經(jīng)原位微纖化母料1#的復(fù)合材料，而直接添加r-PET 的復(fù)合材料的性能最差，當(dāng)r-PET 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能最優(yōu)。

(2)不同加工工藝制備的PP/r-PET/WF 復(fù)合材料中r-PET 的微觀結(jié)構(gòu)不一同：采用母料工藝技術(shù)，可使聚酯纖維在PP 木塑復(fù)合材料中分散良好，采用原位成纖法制備的母料可使r-PET 以較為明顯的微纖結(jié)構(gòu)存在于復(fù)合體系中，且具有良好取向；未經(jīng)原位微纖化的母料則使r-PET 呈現(xiàn)出球狀或橢球狀分散于復(fù)合體系中。

(3)與1#母料相比，2#母料的加入更加有利于PP/r-PET/WF 復(fù)合材料維卡軟化點(diǎn)的提高，但對(duì)復(fù)合材料的熔體流動(dòng)速率有所影響。

[1]馬麗. 植物纖維/ABS 木塑復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能的研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2012.

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