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        PBAT/木粉復(fù)合材料的微球發(fā)泡性能

        2022-03-21 07:27:12柳麗楠楊錦金坤陳龍譚志勇張會軒
        工程塑料應(yīng)用 2022年3期
        關(guān)鍵詞:木粉泡孔倍率

        柳麗楠,楊錦,金坤,陳龍,譚志勇,張會軒

        (1.長春工業(yè)大學(xué)合成樹脂與特種纖維教育部工程研究中心,長春 130012; 2.長春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,長春 130012)

        近年來,可生物降解的合成高分子材料替代傳統(tǒng)不可降解的通用塑料,成為從根本上解決白色污染、合理有效地利用生物質(zhì)和化石資源、讓高分子材料更廣泛合理地為人類服務(wù)的最有效解決方案[1]。而傳統(tǒng)高分子發(fā)泡材料因其體積龐大、難以回收帶來的環(huán)境問題尤為嚴(yán)重,因此利用可降解高分子材料作為基體制備發(fā)泡材料成為新的趨勢[2]。

        聚己二酸/對苯二甲酸丁二酯(PBAT)是一種全生物降解塑料,它是由化石資源通過化學(xué)合成方法制備的脂肪族/芳香族無規(guī)共聚酯[3–4]。PBAT具有良好的加工性能,類似于低密度聚乙烯(PE-LD),通過制備PBAT發(fā)泡材料來替代傳統(tǒng)的PE-LD發(fā)泡材料具有很大的應(yīng)用前景[5]。同時(shí),為了滿足日益增長的環(huán)保和生物相容性產(chǎn)品需求,可生物降解聚合物和天然填料復(fù)合材料引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大興趣,低成本、低密度、可再生、可生物降解的木材是重要的天然填料來源[6]。因此,可將木粉用作PBAT基體的填料以開發(fā)新的可能用于包裝領(lǐng)域的復(fù)合發(fā)泡材料。

        在PBAT發(fā)泡過程中,由于PBAT分子量相對較低,分子鏈呈線性結(jié)構(gòu),導(dǎo)致泡孔壁可能無法承受發(fā)泡劑的驅(qū)動(dòng)力,PBAT泡沫易出現(xiàn)泡孔崩塌和聚結(jié)現(xiàn)象[7–8]。因此,選擇合適的發(fā)泡劑很重要。熱膨脹性微球包括熱塑性樹脂殼和包封在其中的沸點(diǎn)不高于熱塑性樹脂軟化點(diǎn)的發(fā)泡劑,最大膨脹率不低于50倍,且可膨脹成對反復(fù)壓縮具有優(yōu)異耐久性的中空顆粒[9]。

        筆者以PBAT為基體材料,添加不同含量的楊木粉制備了PBAT/木粉復(fù)合材料,然后采用了熱膨脹微球發(fā)泡劑,通過熱壓成型制得PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料。主要研究了木粉含量對PBAT/木粉復(fù)合材料流變性能、結(jié)晶性能和發(fā)泡行為的影響。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)原料

        PBAT:Ecoflex C1200,德國巴斯夫有限公司;

        微球發(fā)泡劑:Expancel 951DU120,阿克蘇諾貝爾公司;

        硬脂酸(HSt):上海麥克林生化科技有限公司;

        木粉:150 μm(100目),市售。

        1.2 主要儀器與設(shè)備

        開煉機(jī):XH-401型,錫華檢測儀器有限公司;

        旋轉(zhuǎn)流變儀:AR2000型,美國TA儀器公司;

        平板硫化機(jī):HB-400×400×1D型,青島華博機(jī)械科技有限公司;

        人造板萬能試驗(yàn)機(jī):MWD-J150型,北京時(shí)代山峰科技有限公司;

        掃描電子顯微鏡(SEM):JSM-6510型,日本JEOL科技有限公司;

        差示掃描量熱(DSC)儀:DSC1 STARe System型,METTLER TOLEDO公司。

        1.3 試樣制備

        將PBAT和木粉干燥后,按表1配方在110℃的雙輥開煉機(jī)上包輥塑化,出片后在180℃下模壓成型,模具厚度為1 mm,所得樣品用于流變性能和結(jié)晶性能測試。

        按照表1列出的各樣品配方,再加入8份微球發(fā)泡劑混煉均勻出片,將適量混煉膠裁成模具形狀放入其中模壓發(fā)泡,溫度為180℃,壓力為10 MPa。

        表1 PBAT/木粉復(fù)合材料的配方 份

        1.4 性能測試與表征

        (1)流變性能測試。

        使用旋轉(zhuǎn)流變儀,在動(dòng)態(tài)頻率掃描模式下,以180℃,0.1~100 rad/s的頻率測試。

        (2)結(jié)晶性能測試。

        使用DSC儀,樣品質(zhì)量為5~10 mg,快速升溫至200℃并恒溫3 min,消除熱歷史,然后降溫至40℃,隨后升溫至200℃,觀察其結(jié)晶和熔融行為,升溫和降溫速率為10℃/min。

        (3)密度測試。

        按照ASTM D792-2000測試。

        (4)泡孔形態(tài)表征及泡孔密度和發(fā)泡倍率測試。

        使用液氮脆斷發(fā)泡體,在SEM下觀察脆斷面,通過Image-Pro Plus軟件分析泡孔結(jié)構(gòu),發(fā)泡倍率和泡孔密度通過式(1)和式(2)[10]計(jì)算:

        式中:φ——發(fā)泡倍率;

        ρ0—發(fā)泡前樣品密度,g/cm3;

        ρ—發(fā)泡后樣品密度,g/cm3;

        N—泡孔密度,個(gè)/cm3;

        n—統(tǒng)計(jì)面積中泡孔數(shù)量,個(gè);

        M—SEM照片放大倍數(shù);

        A—SEM照片中所選擇的統(tǒng)計(jì)面積,cm2。

        (5)壓縮性能測試。

        按GB/T 8813–2008用人造板萬能試驗(yàn)機(jī)測試,壓縮形變?yōu)?0%,壓縮速度為5 mm/min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 木粉含量對PBAT/木粉復(fù)合材料流變性能的影響

        在發(fā)泡過程中,泡孔壁經(jīng)歷雙向拉伸,形變過程中的瞬時(shí)拉伸黏度對發(fā)泡過程至關(guān)重要[11]。但雙向和平面拉伸黏度(尤其是其瞬時(shí)響應(yīng))所用儀器沒有廣泛使用,可以近似使用動(dòng)態(tài)剪切流變參數(shù)測量熔體黏彈性[12]。圖1是未發(fā)泡的PBAT/木粉復(fù)合材料的儲能模量(G')、損耗模量(G')和復(fù)數(shù)黏度(η*)隨角頻率(ω)的變化曲線。

        圖1 PBAT/木粉復(fù)合材料的G',G'和η*隨ω的變化曲線

        從圖1a和圖1b可以看出,木粉含量越大,復(fù)合材料的G'和G'越高。因?yàn)槟痉圩璧K了分子鏈的運(yùn)動(dòng)使其難以改變自身構(gòu)象,其末端松弛時(shí)間變長,表現(xiàn)為熔體彈性增強(qiáng)。而且相對于高頻區(qū)域,低頻區(qū)域G'的增加更為明顯,這是因?yàn)楦呒羟蓄l率下,分子鏈運(yùn)動(dòng)速度跟不上外力變化,基體與木粉間的相互作用力對G'影響減小。同時(shí)材料內(nèi)部因滯后現(xiàn)象產(chǎn)生能量損耗,導(dǎo)致材料的G'增大[13]。η*影響泡孔生長過程,過低和過高都會影響發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)和發(fā)泡倍率。從圖1c可以看出,木粉含量增大后,PBAT/木粉復(fù)合材料熔體的η*明顯提高,一方面是因?yàn)槟痉哿W又g的相互作用導(dǎo)致其在PBAT基體中分散不均,另一方面木粉含有的極性基團(tuán)與PBAT的端基存在相互作用,會在一定程度上阻礙PBAT分子鏈的運(yùn)動(dòng),從而使復(fù)合材料的熔體黏度升高[14]。

        2.2 木粉含量對PBAT/木粉復(fù)合材料結(jié)晶性能的影響

        在氣泡的增長和穩(wěn)定階段,結(jié)晶可以使黏度迅速增加,提高材料的熔體強(qiáng)度,從而穩(wěn)定氣泡的增長過程。在發(fā)泡材料成型固化階段,如果結(jié)晶速率過快,會阻礙氣泡增長從而影響發(fā)泡倍率和密度。圖2是未發(fā)泡PBAT/木粉復(fù)合材料的DSC曲線。從圖2可以看出,加入木粉后,復(fù)合材料的結(jié)晶溫度明顯提高,說明木粉的加入提高了結(jié)晶成核點(diǎn)的數(shù)量,起到了一定的異相成核作用。而木粉含量的改變對結(jié)晶溫度的影響不大。隨著木粉含量的增大,結(jié)晶峰逐漸變寬,說明木粉作為固體顆粒阻礙了PBAT基體分子鏈段向晶核的擴(kuò)散和排列,從而導(dǎo)致了結(jié)晶速率下降。但木粉含量的增加對熔融溫度的影響并不顯著。

        圖2 PBAT/木粉復(fù)合材料的DSC曲線

        2.3 木粉含量對PBAT/木粉復(fù)合材料密度的影響

        圖3為未發(fā)泡PBAT/木粉復(fù)合材料片材的密度。由圖3可以看出,隨著木粉含量的增加,未發(fā)泡片材的密度也隨之增加,據(jù)此可以推出所用木粉的密度高于PBAT的密度。原因是木材在加工成粒徑較小的木粉顆粒時(shí)破壞了其本身的中空結(jié)構(gòu),造成木粉的壓實(shí)密度大于PBAT基體[15]。

        圖3 未發(fā)泡PBAT/木粉復(fù)合材料片材密度

        2.4 木粉含量對發(fā)泡形貌的影響

        圖4為PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的電子照片。由圖4可以看出,木粉含量從0份增加至40份都可以成功制備泡沫材料。而且發(fā)泡體表面平整,從橫截面來看泡孔大小比較均勻。從發(fā)泡體厚度來看,木粉含量對發(fā)泡倍率的影響不大。當(dāng)木粉含量達(dá)到50份時(shí)未能成功制得發(fā)泡材料,主要是因?yàn)槟痉酆窟^高破壞了PBAT基體的連續(xù)性,導(dǎo)致無法有效包裹氣體。

        圖4 PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的電子照片

        為了進(jìn)一步觀察發(fā)泡材料的微觀形貌,用SEM觀察了發(fā)泡體的脆斷面,得到結(jié)果如圖5所示。發(fā)泡材料泡孔密度和尺寸見表2。由表2可以看出,所有組分發(fā)泡材料的泡孔結(jié)構(gòu)均勻,皆為球狀閉孔結(jié)構(gòu),這是由微球發(fā)泡劑的發(fā)泡特點(diǎn)決定的。木粉含量在30份以下時(shí),泡孔之間連接緊密,泡孔數(shù)量較多。當(dāng)木粉含量達(dá)到40份,微球膨脹比較充分,泡孔壁接觸面積變小,出現(xiàn)較多空隙。結(jié)合表2可以看出,木粉含量為30份以下時(shí),泡孔直徑變化不大,總體有減小的趨勢,泡孔密度逐漸增大。這是因?yàn)殡S著木粉含量的增加,木粉逐漸占據(jù)復(fù)合材料中的空間,微球發(fā)泡劑分布在基體中的密度增大,因此泡孔密度變大。當(dāng)木粉含量為40份時(shí)發(fā)泡空間不足,微球數(shù)量較多,充分膨脹后發(fā)泡材料形成較多空隙,泡孔直徑明顯變大,泡孔密度明顯減小。

        圖5 PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的脆斷面SEM照片

        表2 PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料泡孔密度和尺寸

        2.5 木粉含量對發(fā)泡材料表觀密度和發(fā)泡倍率的影響

        圖6是PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的表觀密度和發(fā)泡倍率。由圖6可以看出,木粉含量少于30份時(shí),隨著木粉含量的增加,發(fā)泡材料的表觀密度和發(fā)泡倍率稍有增加。而木粉含量從30份增加到40份時(shí),發(fā)泡材料的表觀密度突然降低,發(fā)泡倍率突然增大。這是因?yàn)槟痉郾旧頍o法發(fā)泡,木粉含量提高使可發(fā)泡的PBAT基體在復(fù)合材料中的含量降低,而且熔體黏彈性的提高一定程度上影響了微球的膨脹,使得發(fā)泡材料的密度稍有增大。而未發(fā)泡的PBAT/木粉復(fù)合材料的密度隨木粉含量的增加而增大的幅度較大,因此發(fā)泡倍率稍有增加。木粉含量為40份時(shí),PBAT基體與木粉的相容性較差,PBAT基體含量較少,發(fā)泡材料經(jīng)過膨脹出現(xiàn)較多空隙,泡孔尺寸變大,泡孔壁變薄,因此發(fā)泡材料密度減小,表觀密度為0.212 g/cm3,發(fā)泡倍率增大。

        圖6 PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的表觀密度和發(fā)泡倍率

        2.6 木粉含量對發(fā)泡材料壓縮強(qiáng)度的影響

        對于閉孔發(fā)泡材料,壓縮強(qiáng)度由3個(gè)因素決定:孔棱的彎曲、泡孔壁的拉伸及閉孔的內(nèi)部氣體壓力,氣體壓力較小,通??珊雎訹16]。而基體材料的拉伸或彎曲性能,能夠影響孔棱的彎曲性能及泡孔壁的拉伸性能的大小。圖7是PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度。由圖7可以看出,添加木粉后,由于PBAT樹脂基體原有的均勻連續(xù)相受到木粉的影響,因此壓縮強(qiáng)度均小于未添加木粉的樹脂發(fā)泡后的壓縮強(qiáng)度。當(dāng)木粉含量為30份時(shí),發(fā)泡體的壓縮強(qiáng)度逐漸增大到與純PBAT發(fā)泡材料接近,木粉含量繼續(xù)增大又會引起壓縮強(qiáng)度突然降低。這是由于在其它條件不變時(shí),發(fā)泡材料表觀密度的增大可使其壓縮強(qiáng)度增大。此外,隨著木粉含量增加,泡孔結(jié)構(gòu)變化對壓縮強(qiáng)度的提高有一定作用。而當(dāng)木粉含量達(dá)到40份時(shí),發(fā)泡材料內(nèi)部產(chǎn)生較多缺陷導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度降低。

        圖7 PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度

        3 結(jié)論

        (1)木粉的加入有效地提高了PBAT/木粉復(fù)合材料的熔體彈性、復(fù)數(shù)黏度和結(jié)晶溫度,PBAT的可發(fā)性得到改善。

        (2)制得的PBAT/木粉復(fù)合發(fā)泡材料為球狀閉孔結(jié)構(gòu)。木粉具有調(diào)控泡孔結(jié)構(gòu)的作用,隨著木粉含量的增加,發(fā)泡材料的泡孔密度明顯增大,泡孔尺寸變化不大,含量超過30份后會發(fā)生突變。

        (3)木粉含量低于30份時(shí)對發(fā)泡材料的表觀密度和發(fā)泡倍率影響不大,含量增加至40份時(shí)表觀密度突然減小,發(fā)泡倍率突然增大。

        (4)木粉含量對發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度有一定影響,通過調(diào)整木粉的含量可以達(dá)到與純PBAT發(fā)泡材料相當(dāng)。

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