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不同工藝參數(shù)對麥秸/聚乙烯復(fù)合材料性能的影響*

高振棠

(濟(jì)寧市技師學(xué)院，山東濟(jì)寧272000)

摘要：考察口模擠出壓力降對復(fù)合材料密度及沖擊強(qiáng)度的影響，擠出溫度對泡孔結(jié)構(gòu)的影響及復(fù)合材料添加劑對擠出工藝的影響。結(jié)果表明，擠出壓力降在9 MPa以內(nèi)，對復(fù)合材料的密度影響不大，超過9 MPa對復(fù)合材料的密度影響顯著；隨著擠出壓力降增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢；隨著口模溫度的增加，復(fù)合材料的泡孔尺寸逐漸增大并由開孔到閉孔，直至泡孔破裂；AC發(fā)泡劑用量的增加會造成口模擠出壓力降的升高和擠出速度的下降；麥秸粉用量增加，造成復(fù)合材料的擠出壓力降略有升高但對擠出速度影響不大。

關(guān)鍵詞：擠出工藝參數(shù)；力學(xué)性能；微孔發(fā)泡；口模溫度

微孔發(fā)泡木塑復(fù)合材料具有泡孔尺寸小、泡孔密度大、強(qiáng)度質(zhì)量比高等優(yōu)點(diǎn)，既改善了木塑復(fù)合材料的脆性大、密度高等缺點(diǎn)，又改善了傳統(tǒng)發(fā)泡材料因泡孔尺寸過大造成的剛度、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，是木塑復(fù)合材料的新的發(fā)展方向[1]。東北林業(yè)大學(xué)的韓振[2]研究了PVC/木粉等木塑復(fù)合材料的發(fā)泡性能，山東理工大學(xué)的蔡紅珍等[3]對麥秸聚乙烯微孔發(fā)泡復(fù)合材料已經(jīng)作了廣泛而細(xì)致的研究，但對其加工工藝的研究涉及不多，四川大學(xué)周聰?shù)萚4]開展了對木粉/PP復(fù)合發(fā)泡材料的研究，但對麥秸聚乙烯類發(fā)泡材料沒有涉及。由于加工工藝參數(shù)受材料配方、設(shè)備等方面的影響較多，對于微孔發(fā)泡復(fù)合材料的加工工藝參數(shù)的研究一直較少。本研究主要介紹擠出工藝參數(shù)對麥秸/聚乙烯微孔發(fā)泡復(fù)合材料性能的影響，旨在為今后其加工工藝參數(shù)優(yōu)化推廣提供參考。

1材料與方法

1.1主要原料

高密度聚乙烯，DMD1158,山東齊魯石化公司；AC發(fā)泡劑，HG2096-2097-91，山東桓臺博祥化工有限公司；麥秸粉，自制，分別用40～120目篩子過篩制得(指透過40目篩留在120目篩之間)，使用前在105℃烘箱中干燥24 h。

1.2儀器設(shè)備

高速混合機(jī)，自制；場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)型號為Sirion200，荷蘭FEI公司；錐形雙螺桿擠出機(jī)，型號為SJZ-45/90B，上海金湖擠出設(shè)備有限公司；電子天平，F(xiàn)A2004N，河北承德試驗(yàn)機(jī)有限公司。

1.3復(fù)合材料的制備與成型

將麥秸粉與高密度聚乙烯及其他助劑在高速混合機(jī)混合好后放入異向錐形雙螺桿擠出機(jī)中擠出成型，成型尺寸為15 mm×55 mm片材，經(jīng)冷卻、切割加工成測試所需試樣并記錄擠出壓力降基本穩(wěn)定時(shí)的螺桿轉(zhuǎn)速(螺桿平衡轉(zhuǎn)速)和口模擠出壓力降值。擠出溫度設(shè)定為155℃，170℃，180℃，160℃，165℃。

1.4性能測試

沖擊強(qiáng)度按GB/T1043-2008塑料簡支梁沖擊性能的測定方法測試；密度按GB/T1463-2005纖維增強(qiáng)塑料密度測試方法測試；SEM實(shí)驗(yàn):將試樣斷面真空鍍金掃描電鏡下觀察并拍照。

2結(jié)果與分析

2.1口模擠出壓力降對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響

以口模溫度為160℃不變，改變AC發(fā)泡劑、麥秸粉用量，經(jīng)多次試驗(yàn)，其測量結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，擠出壓力降在4～11 MPa范圍內(nèi)，隨著擠出壓力降增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)先增后降再增的趨勢，這是因?yàn)?，一方面，口模擠出壓力降的增大使得熔體的黏度增大，從而可以提高氣體溶解度，增加復(fù)合材料的泡孔數(shù)量，減小泡孔尺寸，這些小的泡孔可以鈍化復(fù)合材料的裂紋及缺陷，因此，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度會有所提高，但隨著擠出壓力降的增大，熔體中泡孔數(shù)量增加，復(fù)合材料單位截面上麥秸纖維和聚乙烯大分子鏈減少，可承載的載荷量也就減小，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度減??；隨著擠出壓力降繼續(xù)增加，泡孔密度增加，泡孔直徑減小，復(fù)合材料的密實(shí)度增加，單位截面上麥秸纖維和聚乙烯大分子鏈增加，可承載的載荷量也隨之增大。

圖1　擠出壓力降對復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度影響

2.2口模擠出壓力降對復(fù)合材料密度的影響

以口模溫度為160℃不變，改變AC發(fā)泡劑、麥秸粉用量，經(jīng)多次試驗(yàn)其測量結(jié)果如圖2所示。

圖2　擠出壓力降對復(fù)合材料密度影響

由圖2可知，擠出壓力降在4～9 MPa范圍內(nèi)，隨著擠出壓力降增加，復(fù)合材料的密度有略微升高的趨勢，但變化不大，這是因?yàn)椋涸?～9 MPa范圍內(nèi)，氣泡的生成與長大起主要作用，擠出壓力降的升高可以增加氣體的溶解度，增大復(fù)合材料的泡孔密度，有利于密度減小，同時(shí)擠出壓力降的升高抑制了泡孔的生長，使得密度增加；擠出壓力降超過9 MPa以后擠出壓力降的增大抑制了氣泡的生長，以及聚乙烯鏈段的伸展，使復(fù)合材料更加致密，導(dǎo)致復(fù)合材料密度增加[5]。

2.3擠出溫度對復(fù)合材料性能的影響

以高密度聚乙烯100份，麥秸用量為40份，發(fā)泡劑的用量為4份，螺桿轉(zhuǎn)速為5.3 r/min為基礎(chǔ)，改變口模溫度分別為160℃，165℃，170℃?？谀囟葘?fù)合材料的微孔結(jié)構(gòu)影響如圖3所示。

(a)160℃

(b)165℃

(c)　170℃

圖3(a)為口模溫度為160℃復(fù)合材料微孔結(jié)構(gòu)試樣，從圖3(a)中可以看到，泡孔均勻，平均直徑在100 μm以下，為閉孔結(jié)構(gòu)；圖3(b)為口模溫度為165℃時(shí)復(fù)合材料微孔結(jié)構(gòu)試樣，從圖3(b)中可以看到泡孔尚均勻，平均直徑略大于100 μm，閉孔較多，已有開孔結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；圖3(c)為口模溫度為170℃時(shí)復(fù)合材料微孔結(jié)構(gòu)試樣,從圖3(c)中可以看到，泡孔普遍破裂，微觀結(jié)構(gòu)多為開孔；這是因?yàn)?，熔體離開口模時(shí)，擠出壓力消失，氣泡核快速形成并長大，當(dāng)口模溫度較高時(shí)，氣泡生長的較快，氣泡的直徑較大，甚至泡孔之間相互合并變?yōu)殚_孔結(jié)構(gòu)[6]。

2.4復(fù)合材料主要添加劑對擠出性能的影響

以高密度聚乙烯100份,口模溫度為160℃為基礎(chǔ)，改變發(fā)泡劑的用量，麥秸粉用量獲得不同的轉(zhuǎn)速與相對應(yīng)的擠出壓力降,其測試結(jié)果如圖4所示。

(a)

(b)

由圖4(a)可知，隨著AC發(fā)泡劑用量的增加，螺桿平衡轉(zhuǎn)速和擠出壓力降發(fā)生較大變化。未加AC發(fā)泡劑時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在7 MPa，擠出比較穩(wěn)定；當(dāng)AC發(fā)泡劑用量在2份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在4.8 MPa，當(dāng)AC發(fā)泡劑用量為4份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為4.4 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在7.5 MPa，當(dāng)AC發(fā)泡劑用量為6份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為2.1 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在8.5 MPa。由此可見，AC發(fā)泡劑用量的增加會造成口模擠出壓力降的升高和擠出速度的下降，這是因?yàn)槭紫入S著AC發(fā)泡劑的增加，PE熔體內(nèi)溶入氣體量增加，擠出壓力降升高，熔體對口模的壓力降隨之增大；其次溶有大量飽和氣體的熔體在口模附近發(fā)泡，阻礙后續(xù)熔體擠出造成擠出速度下降。

由圖4(b)可知，當(dāng)麥秸粉用量在30份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在7.3 MPa；當(dāng)麥秸粉用量為50份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在7.2 MPa；當(dāng)麥秸粉用量為70份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在7.5 MPa；當(dāng)麥秸粉用量為100份時(shí)，螺桿平衡轉(zhuǎn)速為5.3 r/min，擠出壓力降穩(wěn)定在6 MPa。由此可見，隨著麥秸粉用量增加，復(fù)合材料的擠出速度變化不大，擠出壓力降略有升高。這是因?yàn)殡S著麥秸粉用量的增加，熔體流動(dòng)性變差，較多的物料堆積在口模處，導(dǎo)致擠出壓力降升高。

3結(jié)論

(1)口模擠出壓力降在9 MPa范圍內(nèi)，對復(fù)合材料的密度影響不大，超過9 MPa對復(fù)合材料密度影響顯著；

(2)隨著口模擠出壓力降增加，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢。

(3)隨著口模溫度的增加，復(fù)合材料的泡孔逐漸長大并由閉孔到開孔，直至泡孔破裂。

(4)AC發(fā)泡劑用量的增加會造成口模擠出壓力降的升高和擠出速度的下降；麥秸粉用量增加，對復(fù)合材料的擠出速度影響不大，擠出壓力降略有升高。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡紹祥，喻云水.木塑復(fù)合材料的應(yīng)用及其發(fā)展前景[J].西部林業(yè)科學(xué)，2005，34(2):113-117.

[2]韓振.PVC基木塑復(fù)合結(jié)皮發(fā)泡地板基材的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2010.

[3]蔡紅珍,柏雪源，易維明，等.麥秸/聚乙烯復(fù)合材料的研究[J].林業(yè)科技，2007(11)：42-44.

[4]周聰，王美珍，吳智華.加工參數(shù)對PP/木粉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2009，21(2)：1-4.

[5]高振棠，柏雪源，蔡紅珍.HDPE/麥秸粉微孔發(fā)泡復(fù)合材料擠出工藝的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2008，36(3)：40-43.

[6]高巧春，柏雪源，蔡紅珍.PP/LDPE共混微孔發(fā)泡木塑豆合材料的研究[J].塑料，2009，37(9)：26-28.

Effect of Different Processing Parameters on the Properties of

Wheat Straw/PE Composites

GAO Zhen-tang

(Ji Ning Techincian Institute,Jining Shandong 272000,P.R .China)

Abstract:The effect of extrusion pressure drop on composite density and impact strength,the effect of extrusion temperature on microstructure,and the effect of additives contents on extrusion process parameters were studied.The result shows there was little influence on the composite density when the extrusion pressure drop below 9 MPa,while a significant influence when the extrusion pressure drop over 9 MPa.With the increase of extrusion pressure drop,the impact strength of composite showed a tendency of increase followed decrease and increase at the last.With the increasing die temperature ,the size of bubble hole was gradually increased and formed a closed hole from hole opening,and bubble broken at the end.The increase of AC foaming agent will lead to increasing of extrusion pressure drop and decrease of the extrusion speed.The extrusion pressure drop will be slightly increase with increasing dosage of wheat straw powder,while it has little impact on the extrusion speed.

Key words:extrusion process parameters; mechanical property; microcellular foaming; die temperature

中圖分類號：TQ 328.2；TB 332

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-8246(2015)05-0068-04

作者簡介：高振棠(1974-)，男，講師，碩士，主要從事生物質(zhì)基復(fù)合材料的研究。E-mail：gaozhentang@163.com

基金項(xiàng)目：國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化基金2013GB2C600274。

收稿日期：*2015-01-21

doi10.16473/j.cnki.xblykx1972.2015.05.013