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        ABS基植物纖維復(fù)合材料性能研究

        2021-08-25 02:55:58周春兵
        化工時刊 2021年2期
        關(guān)鍵詞:木粉木塑塑化

        周春兵 方 勇

        (無錫霓達(dá)美峰橡膠制品制造有限公司,江蘇 無錫 214000)

        ABS基木塑復(fù)合材料是近年發(fā)展起來的一種新型高性能材料,相較于以往木塑復(fù)合材料,具有更強(qiáng)的剛性,尺寸穩(wěn)定性,能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)要求更高的加工領(lǐng)域。但是ABS基木塑復(fù)合材料很難加工,主要因為其熱熔體的黏度高,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩高(轉(zhuǎn)矩值很容易達(dá)到最大扭矩的80%)、口模壓力波動大、熔體嚴(yán)重破壞(尤其在木纖維含量高時,如重量分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時)、擠出不穩(wěn)定。另外木粉在高溫下容易炭化,填充劑也容易分解,導(dǎo)致ABS基木塑復(fù)合材料難以加工[1-5]。

        1 實驗部分

        1.1 原材料

        表1 實驗原材料

        1.2 實驗設(shè)備與儀器

        表2 實驗設(shè)備與儀器

        1.3 實驗配方

        表3 實驗配方

        1.4 實驗工藝流程

        圖1為本研究實驗工藝流程圖。

        圖1 實驗工藝流程圖

        原料處理:因ABS、秸稈粉均是極性較強(qiáng)材料,易吸水,成型前需干燥。條件為100 ℃,干燥4 h。為避免干燥過程中材料老化,選用抽真空干燥箱。

        高速混合:為保證物料混合效果,物料稱取后,利用高速混合機(jī),1 250轉(zhuǎn)/分混合5 min出料。

        流變儀制樣:在220 ℃溫度下,采用不同螺桿轉(zhuǎn)速制樣。

        1.5 性能測試

        轉(zhuǎn)矩流變性能測試:溫度設(shè)置220 ℃,分別在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min情況下,測試復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩變化。

        密度測定:GB/T 4472—2011。

        變色觀察:拍照觀察。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 ABS/植物纖維(WPC)流變性能分析

        在220 ℃條件下,利用轉(zhuǎn)矩流變儀,考察不同轉(zhuǎn)速對WPC材料轉(zhuǎn)矩流變性能影響。

        2.1.1 ABS/玉米秸稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖2為不同螺桿轉(zhuǎn)速下,ABS/玉米秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖,考察流變儀轉(zhuǎn)速對復(fù)合材料流變性能的影響。六種轉(zhuǎn)速下的扭矩隨時間的變化趨勢一致,均是迅速增大到一個最大值(最大扭矩),然后下降后逐漸平穩(wěn)(平衡扭矩);6種轉(zhuǎn)速下復(fù)合材料前期曲線重合,表明扭矩達(dá)到最大值的時間基本一致,在8~9秒之間;最大扭矩值大小不等,隨著轉(zhuǎn)速的提高,最大扭矩值呈上升趨勢,數(shù)據(jù)表明復(fù)合材料對剪切不敏感,不屬于切敏性材料;

        塑化時間定義為復(fù)合材料扭矩不再變化的起始時間。由圖2可知,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,復(fù)合材料塑化時間是逐漸減少的。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,螺桿分散打亂玉米秸稈粉在樹脂集體中的分布效果提高,因素塑化時間減少,但扭矩偏高,功率消耗較大。

        圖2 ABS/玉米秸稈粉流變曲線圖

        2.1.2 ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖3為不同轉(zhuǎn)速下ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖3可以看出,6種轉(zhuǎn)速下,復(fù)合材料到達(dá)最大轉(zhuǎn)速的時間基本一致,在8~9秒之間。與玉米秸稈粉不同的是,隨著轉(zhuǎn)速的提高,復(fù)合材料最大扭矩先減小再提高,50 r/min條件下復(fù)合材料最大扭矩最小,表明ABS/小麥秸稈粉復(fù)合材料對剪切敏感,可以通過提高螺桿轉(zhuǎn)速來提高其加工性能。隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,復(fù)合材料塑化時間減少。

        圖3 ABS/小麥秸稈粉流變曲線圖

        2.1.3 ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖4為不同轉(zhuǎn)速下,ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。數(shù)據(jù)表明,ABS/大豆秸稈粉復(fù)合材料也屬于切敏性材料,隨著螺桿轉(zhuǎn)速的提高,復(fù)合材料流動性變好,在50 r/min轉(zhuǎn)速下,最大扭矩最小為16.9 N·m。

        圖4 ABS/大豆秸稈粉流變曲線圖

        2.1.4 ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖5為不同轉(zhuǎn)速下,ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖可知,隨著轉(zhuǎn)速的提高,ABS/油菜秸稈粉復(fù)合材料最大扭矩及平衡扭矩均不斷增大,復(fù)合材料對剪切不敏感,復(fù)合材料塑化時間隨著轉(zhuǎn)速提高變小。

        圖5 ABS/油菜秸稈粉流變曲線圖

        2.1.5 ABS/木粉稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖6為不同轉(zhuǎn)速下,ABS/木粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖6可知,復(fù)合材料平衡扭矩隨著螺桿轉(zhuǎn)速增加而逐漸升高,復(fù)合材料對剪切不敏感。高轉(zhuǎn)速縮短了復(fù)合材料塑化時間,但因轉(zhuǎn)矩升高帶來較高的能耗。

        圖6 ABS/木粉流變曲線圖

        2.1.6 ABS/水稻秸稈粉復(fù)合材料流變性能

        圖7為不同轉(zhuǎn)速下,ABS/水稻秸稈粉復(fù)合材料轉(zhuǎn)矩流變曲線圖。由圖7可知,螺桿轉(zhuǎn)速為40 r/min時,復(fù)合材料平衡扭矩最小,為7.8 N·m,其余轉(zhuǎn)速下平衡扭矩相差不大,復(fù)合材料具有一定切敏性。隨著螺桿轉(zhuǎn)速提高,復(fù)合材料塑化時間減小。

        圖7 ABS/水稻秸稈粉流變曲線圖

        2.1.7 ABS/植物纖維復(fù)合材料平衡扭矩比較

        表4為螺桿50 r/min轉(zhuǎn)速下,6種復(fù)合材料平衡扭矩比較。數(shù)據(jù)表明,在流變儀螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min情況下,5種秸稈粉制備的復(fù)合材料平衡扭矩均小于木粉,說明秸稈粉的加工性能優(yōu)于木粉,其中ABS/小麥秸稈粉平衡扭矩最小為9.4 N·m。

        表4 六種ABS/植物纖維復(fù)合材料平衡扭矩(螺桿50 r/min)

        2.2 ABS/植物纖維復(fù)合材料密度比較

        表5為螺桿50 r/min轉(zhuǎn)速下,6種復(fù)合材料密度比較。數(shù)據(jù)表明,在流變儀螺桿轉(zhuǎn)速50 r/min情況下,5種秸稈粉制備的復(fù)合材料密度均大于木粉,說明秸稈粉制備的復(fù)合材料密實性均優(yōu)于木粉,更有利于制備高性能木塑復(fù)合材料。

        表5 六種ABS/植物纖維復(fù)合材料密度(螺桿50 r/min)

        2.3 ABS/植物纖維復(fù)合材料熱穩(wěn)定比較

        6種植物纖維在干燥過后,表觀顏色均呈淡黃色,色澤差別不大。在220 ℃工藝條件下,分別制備了ABS/植物纖維復(fù)合材料。通過顏色比對,發(fā)現(xiàn)除小麥秸稈粉外,其余5種復(fù)合材料均呈現(xiàn)黑色。圖8展示了,小麥秸稈粉與木粉加工制備復(fù)合材料前后的顏色對比情況。復(fù)合材料顏色變黑,說明在220 ℃條件下,5種植物纖維發(fā)生了碳化現(xiàn)象,而小麥秸稈粉具有更高的耐熱溫度,可以直接與ABS并用制備復(fù)合材料,其余植物纖維需要添加加工改性劑來解決植物纖維高溫碳化問題。

        圖8 小麥秸稈粉、木粉制備復(fù)合材料前后顏色比較

        3 結(jié)論

        (1) 隨著螺桿轉(zhuǎn)速不斷提高,ABS/植物纖維塑化時間減少,高螺桿轉(zhuǎn)速有利于復(fù)合材料塑化。

        (2) 小麥、大豆、水稻3種秸稈粉制備的復(fù)合材料,隨螺桿轉(zhuǎn)速提高,平衡扭矩先升高再降低,屬切敏性材料,其余3種均逐漸升高,不具備切敏性特點(diǎn)。

        (3) 小麥、大豆、水稻、油菜、玉米5種秸稈粉與ABS制備的復(fù)合材料其平衡扭矩均優(yōu)于木粉,其加工流動性能更佳,其中小麥秸稈粉制備的復(fù)合材料平衡扭矩最低,為9.4 N·m。

        (4) 220 ℃加工條件下,小麥秸稈粉制備的復(fù)合材料未變黑,可直接與ABS并用制備復(fù)合材料。

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