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1、黄兆阁等木粉填充改性聚丙烯复合材料的研究2005年 第31卷第21页材 料 与 相 关 产 品黄兆阁，刘莉，李荣勋，李少香，刘光烨(青岛科技大学新材料研究重点实验室，山东 青岛 2 6 6 0 4 2)摘要：本实验利用木粉对聚丙烯（P P）进行改性研究，结果表明，加入木粉后，复合材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率、硬度和维卡软化温度均有所提高，加工流动性能和冲击强度有所下降。关键词：聚丙烯；木粉；复合材料中图分类号：TQ325.14 文献标识码：B 文章编号：1009-797X(2005)07-0021-05作者简介：黄兆阁（1 9 6 8-），男，硕士，多年来一直从事塑料专业的教学和研究工
2、作，已发表论文2 0 余篇。收稿日期：2 0 0 4-1 0-1 2近年来，开发植物纤维作为增强材料的复合材料越来越引起人们的注意，这类填充剂与目 前 普 遍 采 用 的 无 机 填 充 剂 相 比 具 有 以 下 优点：与高分子化合物相容性好；密度较一般无机填充剂小，而模量和拉伸强度与无机纤维接近；原料资源丰富，生产工艺简单，价格也最便宜；所得复合材料制品具有良好的木质感和隔热效果；对其加工设备磨损小；具有生物可降解性和可再生性，在环境保护和资源保护方面有重要意义。热塑性塑料/植物纤维复合材料可应用于汽车工业、室内装饰材料及日常生活等领域。因此，开发热塑性塑料/植物纤维复合材料产品具有极大的
3、社会效益和经济效益。本文用木粉作为植物纤维增强材料对聚丙烯进行了改性研究，着重考察了对材料的力学性能和加工流动性能的影响，并且用电镜研究了材料断面的微观结构。1 实验部分1.1 主要原料聚丙烯（PP）T30S 大连西太平洋石油化工有限公司木粉 市售1.2 主要设备GH-10A 高速混合机 北京塑料机械厂塑料破碎机 青岛德信塑料机械有限公司SK-160B 双滚筒炼塑机 上海橡胶机械厂SHJ 系列双螺杆挤出机 南京杰恩特机电有限公司130F2V 塑料注射成型机 东华机械有限公司PXRZ-400C 熔体流动速率仪 吉林大学科教仪器厂RW-3 热变性实验仪/维卡耐热仪 河北省承德市实验机厂LJ-100
4、0 型机械拉力机 广州实验仪器厂XHR-150 型塑料洛氏硬度计 上海材料实验机厂XC 型摆锤冲击实验机 承德精密实验机有限公司木粉填充改性聚丙烯复合材料的研究第31卷 第7期第22页橡塑技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENTTG328A 电光分析天平 上海天平仪器厂GZX-DHG 电热恒温干燥箱 山东潍坊医疗器械厂1.3 测试方法熔体流动速率测定 按GB3682-2000拉伸性能测定 按GB1040-92弯曲强度测定 按GB9341-88简支梁冲击强度测定 按GB/T1043-1993悬臂梁冲击强度测定 按GB/T1843-19
5、96塑料耐热性（维卡）测定 按 GB1633-891.4 样品制备1.4.1 木粉与聚丙烯混合造粒工艺木粉在烘箱烘干约 812 h，聚丙烯与已烘干的木粉放入高速混合机中混合，混好的物料加入挤出机中，挤出造粒。挤出机温度设定：1 区 190，2 区 200，3区 210，4 区 215，5 区 205。1.4.2 塑料混炼工艺聚丙烯与木粉在双辊开炼机上混炼均匀，混炼辊温为：150170，下片，放入塑料破碎机中破碎成粒状，粒料待用。1.4.3 注塑成型工艺料筒温度：射嘴：210，I 段 215，II 段210，III 段 180，IV 段 20，V 段 20，注射压力：4565 MPa，保压 15
6、 s。1.4.4 工艺流程木/塑复合材料工艺流程如下：PP、木粉、其他助剂高速混合双螺杆挤出造粒干燥注塑制样性能测试。2 结果与讨论2.1 木粉（40份）粒径对木粉/PP复合材料力学性能的影响2.1.1 木粉粒径对PP融体流动速率（MFR）的影响由图 1 可见，加入木粉，材料的熔体流动速率明显降低，但是随着木粉粒径的减小，聚丙烯（P P）与木粉复合材料的融体流动速率降低幅度很小。木粉的主要成分是纤维素和木质素，其流动性很差，降低了树脂的流动性，而随着图 3 描述了木粉粒径对复合材料硬度的影响，随着木粉粒径的减小，复合材料的硬度逐渐增加。因为粒径减小，木粉能够相对均匀地分散在复合材料中，对树脂基
7、体的增强效果提高。2.1.4 木粉粒径对PP拉伸强度及断裂伸长率图1 木粉粒径对PP熔体流动速率的影响由图 2 可知，随着木粉粒径的减小，材料的弯曲强度逐渐增加，这是因为，随着粒径的减小，改善了木粉和复合材料的二相界面结合，颗粒引起应力集中及产生缺陷的几率减小，因而能提高材料的弯曲强度1。2.1.3 木粉粒径对PP硬度的影响图2 木粉粒径对PP弯曲强度的影响木粉粒径的减小熔体流动曲线趋于平缓，则说明此时木粉粒径对 PP 的流动性影响不大。2.1.2 木粉粒径对复合体系弯曲强度的影响黄兆阁等木粉填充改性聚丙烯复合材料的研究2005年 第31卷第23页材 料 与 相 关 产 品右的木粉最佳。2.2
8、 木粉（40目）用量对复合材料性能的影响2.2.1 木粉用量对复合材料MFR的影响由图 5 可知，随着木粉用量的增加，熔体的流动速率明显下降。木粉的主要成分是木质素和纤维素，属于刚性大分子，其流动性能很差，用量越多，基体树脂的流动性越差。图3 木粉粒径对复合材料硬度的影响图4 木粉粒径对PP拉伸强度及断裂伸长率的影响由图 7 可以看出，随木粉用量的增加，弯曲强度上升。作为刚性大分子，木粉对树脂基体具有增强作用。2.2.4 木粉用量对复合材料冲击性能的影响由图 8 可知，随着木粉含量的增加，材料的冲击强度下降。这主要因为随着木粉用量的增加，木粉聚集现象加剧，粒径大的颗粒引起应力集中，容易产生破坏
9、，使材料的韧性下降。2.2.5 木粉用量对复合材料拉伸强度及断裂伸图5 木粉用量对复合材料MFR的影响图6 木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响的影响由图 4 可看出，随着木粉粒径的减小，PP/木粉复合材料的拉伸强度、断裂伸长率均明显上升。这是因为开始的粒径较大，分散程度不好，随着粒径的减小，颗粒引起应力集中及产生缺陷的可能性变小，因而材料的拉伸强度随着粒径的减小而增加 2。综合力学性能和加工流动性，选择 4 0 目左2.2.2 木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响图 6 是木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响，随着木粉用量的增加复合材料的热变形温度提高，是因为木粉作为一种天然纤维素具有
10、刚性，其热稳定性好于聚丙烯。2.2.3 木粉用量对复合材料弯曲强度的影响第31卷 第7期第24页橡塑技术与装备CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT长率的影响从图 9 可以看出，随着木粉用量的增加，材料的拉伸强度明显上升。木粉作为一种填充剂，同时也作为一种增强剂来使用分散在树脂中，作为刚性大分子，可以增强基体树脂的拉伸强度3。而材料的断裂伸长率则随着木粉用量的增加显著降低。这说明木粉用量增加，材料变硬变脆。2.3 形态分析从图 10 中的电镜照片中可以看出，较大粒径的木粉和树脂复合材料中，木粉表面十分光滑，没有任何丝状物出现；这说明木粉与基
11、础树脂之间没有粘接点，二相之间作用力很小，在脆断过程中，木粉很容易从基础树脂中拔出。随着木粉粒径的减小，木粉与树脂基体之间的界面面积增加，二相之间的粘接性相对来说得到提高。图8 木粉用量对复合材料冲击性能的影响3 结论（1）粒径减小，木粉与树脂基体之间的界面面积增加，二相之间的粘接性好。（2）木粉使材料的弯曲强度、硬度、维卡软化温度、拉伸强度和断裂伸长率增加，但使材料的加工流动性能和冲击强度大幅度下降。参考文献：1 揣智诚，李树，崔永岩，等.软木纤维增强PP复合材料的研究.塑料科技，2001，（2）：14.图1 0 聚丙烯/木粉复合材料冲击断面的SEM照片（木粉用量40份）图7 木粉用量对复合
12、材料弯曲强度的影响图9 木粉用量对复合材料拉伸强度及断裂伸长率的影响黄兆阁等木粉填充改性聚丙烯复合材料的研究2005年 第31卷第25页材 料 与 相 关 产 品 2 郭宝华，陈静，等.高性能木纤维增强聚丙烯复合材料的制备.工程塑料应用，2002，30（7）13.3 张祥福，陈信忠，等.纤维素材料增强聚丙烯的性能.中国塑料，1998，12（2）：31.Research on modified polypropylene compositewith wooden flour fillingHuang Zhaoge,Liu li,Li Rongxun,Li Shaoxiang,Liu Guangy
13、e(Emphases laboratory of new material study of Qingdao science and technology university,Qingdao266042,Shandong,China)Abstract:This experiment is the research on modified polypropylene composite with wooden flourfilling,the research shown that having wood flour added,the composite has increased its
14、bending strength、tensile strength、rupturing elongated rate、hardness and soft temperature,but the property of pro-cessing flow and impact strength has decreased.Key words:polypropylene(PP);wood flour;composite(XS-03)可与 G M T媲美的 P P复合材料美国化学纺织品生产商 Milli ken 公司研制出一种 100%聚丙烯的复合材料，这种 PP 复合材料与玻纤毡片热塑性塑料制件（G
15、MT）相比，具有相同的加工性能、机械特性、成本价格、可回收利用性能，可先加工编织制成毡片材料，再采用改进型热成型工艺进行模塑加工，其热成型温度设定在140160 之间，压力在12 MPa左右。由于复合材料是由 1 00%的聚丙烯材料构成，更方便回收和利用，同时在加工处理时也比玻纤增强型复合材料更安全。Milliken 公司宣称，MFT 材料具备优异劲度、质量轻等特点，并且在冷冻温度下仍保持高抗冲击性能。目前有众多的顾客厂商正在筹划将 M F T材料应用于生产各自的目标产品，最初将应用在运输行业（小型游艇、汽车内的脚踏护垫）以及运动器械装备（头盔、拳击手套）等方面。本刊摘编自国外塑料，2 0 0
16、 5，2 3（4）：6 7(XS-05)全球汽车塑料配件回收水平不高据美国一家非盈利性机构“生态学中心”最新研究发现，在美国销量最大的 6 家汽车公司中，日本丰田汽车公司在使用安全、可回收塑料方面做得最好。但如果以 A、B、C、D、E、F（即 A 最高、F 最低）来评分，丰田公司也仅能得到 C。该中心的研究报告表明，一辆汽车上的塑料部件所占比例平均已从 1960 年的 0.6%增加到2003 年的 7.5%，但这些塑料配件在安全和可回收利用方面不能令人满意。除丰田公司的得分为 C 外，通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒、本田和日产等公司的得分大都为 D+或 D。这说明汽车厂商在这方面还有许多工作要做，而且这不仅只是汽车厂商的任务，更需要汽车配件企业及塑料原料供应商的积极配合。但现在美国汽车市场的竞争环境仍近乎残酷，生产商最为关心的是如何打击对手和保持自己的市场份额，几乎一切开发和宣传均以此为出发点，成本控制是市场竞争最为有效的手段之一，如果将汽车总重 7.5%的塑料都以价格不菲的高档环保塑料代替，总成本也要提高 3%以上，这一数字对于北美汽车市场几乎是难以承受的。本刊摘编自工程塑料，2 0 0 5，3 3（5）：7 6(XS-05)