改性纖維素納米纖維增強(qiáng)聚乙烯樹脂復(fù)合材料的研發(fā)

近年來，纖維素納米纖維（CNF）作為可再生新材料引人注目。該文介紹了日本最近研發(fā)的改性CNF增強(qiáng)聚乙烯（PE）樹脂復(fù)合材料，以及改性CNF增強(qiáng)PE的注射成形條件和獲得的試驗(yàn)片的力學(xué)性能和結(jié)晶配向性關(guān)系的研究結(jié)果。

1 前言

近年來，纖維素納米纖維（CNF）作為可再生新材料引人注目，在黏度調(diào)節(jié)劑、涂料、電子/包裝材料等多種用途方面，進(jìn)行了以實(shí)用化為目的的開發(fā)。日本開發(fā)了能提高與聚乙烯（PE）界面黏結(jié)強(qiáng)度的疏水改性CNF，并用作與PE復(fù)合的材料，大大提高了其力學(xué)性能。用透射電子顯微鏡（TEM）觀察通過注射成形制成的試驗(yàn)片時(shí)，觀察到了在射出方向PE的擴(kuò)展鏈和CNF的串狀延伸，薄片在其周圍形成的串晶結(jié)構(gòu)。由此推測，改性CNF不僅有助于本身的物理性能及其界面黏結(jié)強(qiáng)度，還有助于對(duì)PE配向狀態(tài)的控制，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。一般來說，PE等結(jié)晶性高分子置于剪切場中，會(huì)取得串晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)，剪切狀態(tài)極大地影響了成形時(shí)的條件。

本文介紹了最近研發(fā)的改性CNF增強(qiáng)PE復(fù)合材料，以及改性CNF強(qiáng)化PE的注射成形條件和獲得的試驗(yàn)片的力學(xué)性能及結(jié)晶配向性的關(guān)系的研究結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 樣本制作

改性纖維素和高密度PE以17∶83的質(zhì)量比混合后用雙輥擠出混練機(jī)（螺旋直徑15 mm，L/D=45，轉(zhuǎn)速200 r/min，混練溫度140℃）進(jìn)行混練，作為改性CNF/PE復(fù)合材料顆粒使用。

獲得的顆粒投入到注射成形機(jī)中（氣缸溫度140～160℃，金屬模具溫度40℃），制成啞鈴狀試樣。

2.2 評(píng)價(jià)方法

力學(xué)性能：通過啞鈴狀試樣的抗張強(qiáng)度測試進(jìn)行評(píng)價(jià)。

結(jié)構(gòu)觀察：將啞鈴狀試樣切成20 μm厚的薄片，同時(shí)使用了靈敏色板（530 nm）的偏光顯微鏡（測定）的光學(xué)延遲量評(píng)價(jià)。

剪切黏度：通過毛細(xì)管曲線測定。

3 結(jié)果

3.1 注射條件對(duì)抗張強(qiáng)度的影響

為了確認(rèn)注射成形機(jī)的填充速度和氣缸溫度對(duì)啞鈴狀試片強(qiáng)度的影響，圖1比較了在表1所示條件下的力學(xué)性能（抗張強(qiáng)度，彈性率）。

圖1 力學(xué)性能評(píng)價(jià)結(jié)果

表1 注射成形條件

由表1和圖1可以看出：改性CNF復(fù)合材料（試樣2）的力學(xué)性能明顯比純PE材料（試樣1）提高；金屬模具的填充速度從 1．5 mL/s降低到 0．8 mL/s后的試樣3的力學(xué)性能進(jìn)一步提高；試樣4將氣缸溫度從160℃降低到140℃，并再次將填充速度提高到1．5 mL/s，其強(qiáng)度變成與試樣2大體相同；將氣缸溫度降低到140℃，填充速度降低到0．8 mL/s的試樣5顯示出復(fù)合材料中最優(yōu)良的力學(xué)性能。

3.2 注射成形的偏光顯微鏡觀察

為調(diào)查其原因，測定了試樣的結(jié)晶取向性。對(duì)啞鈴狀試樣片進(jìn)行了偏光顯微鏡觀察，比較了試樣的延遲量。所謂延遲就是將多屈折體中的2束光線的偏差換算成在空氣中的距離的數(shù)值，晶體長得越大數(shù)值越大。試樣的延遲量如圖2所示。

圖2 試樣的延遲量

由圖2可見：純PE材料（試樣1）的外殼部（皮層）的延遲量常常比內(nèi)部（芯層）大，而改性CNF復(fù)合材料（試樣2和試樣4）的芯層與皮層一樣延遲量都較大；機(jī)械性能最優(yōu)的試樣5的延遲量最大。這說明，與純PE材料相比，這些試樣在更深的內(nèi)部形成了串晶構(gòu)造。

3.3 熔融黏度和流動(dòng)性

通過比較延遲量，觀察到力學(xué)性能優(yōu)良的試樣的結(jié)晶集中在射出方向上配向。而且，CNF復(fù)合材料中射出速度低，氣缸溫度低的試樣其力學(xué)性能最優(yōu)。為了確認(rèn)其原因和注射成形時(shí)材料所受剪切力的關(guān)系，用毛細(xì)管曲線求出了溫度在140～160℃條件下的改性CNF/PE復(fù)合材料的剪切速度和黏度的關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可見，剪切速度越高黏度越小，并且在剪切場中溫度降低時(shí)的黏度差變小。

4 總結(jié)

試樣的機(jī)械性能隨填充速度的低速化和氣缸溫度的低溫化而提高，試樣內(nèi)部結(jié)晶的配向性更強(qiáng)。但是，過去的研究曾報(bào)告在剪切量（剪切速度和剪切時(shí)間的乘積）固定的條件下，強(qiáng)剪切速度加短時(shí)間比弱剪切速度加長剪切時(shí)間更能使結(jié)晶結(jié)構(gòu)長大，但有意思的是，本研究結(jié)果顯示低剪切速度的結(jié)晶配向更加強(qiáng)烈。

圖3 CNF/PE復(fù)合材料的剪切速度與黏度的關(guān)系

CNF強(qiáng)化材料的物理性能隨成形條件的不同而不同，并且因模具厚度、形狀、通道（spool）、澆口（gate）和形狀等不同而不同，可以說用實(shí)際的模具無法評(píng)價(jià)或不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，需要進(jìn)一步解析物理性能形成的詳細(xì)原因。

（杜偉民 編譯）

大王制紙全球首創(chuàng)CNF浴廁清潔紙

近日，大王制紙?jiān)谑袌錾祥_始銷售全球首創(chuàng)的、以纖維素納米纖維（CNF）原料生產(chǎn)的浴廁清潔紙——“ElleairKireKira”產(chǎn)品，這種紙可以將衛(wèi)生間中看不見的污垢徹底清潔。

這種采用CNF生產(chǎn)的紙張，其表面的凹凸設(shè)計(jì)，可以捕抓到看不見的細(xì)菌與皮脂等污物。此外也有抗菌效果，可以24 h持續(xù)防止雜菌的茲生，并且附帶有除臭成分，能夠有效去除臭味。

該產(chǎn)品與普通清潔紙相比，其表面強(qiáng)度高出2倍，不易破損，紙張厚度也較厚。

大王制紙公司是2016年4月份在三島工廠首家采用了CNF，并以自主開發(fā)的節(jié)能型生產(chǎn)工藝流程，生產(chǎn)了CNF浴廁清潔紙。

（李振遠(yuǎn)）