玻璃纤维对竹塑复合材料性能的影响

葛正浩, 元庆凯, 田普建, 董学敏

(陕西科技大学机电工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

我国拥有非常丰富的竹类资源，竹林面积占世界的1/4，素有“竹类王国”的美称[1].竹制用品在生活中随处可见，但是竹材加工过程中会产生大量加工剩余物，在竹地板、竹凉席和竹制日用品的生产中，竹材的利用率低于40%，有60%以上的竹材在加工过程中变成了加工废料[2].竹材加工剩余物的利用已成为竹材加工企业非常关注的热点问题，也是加工过程中的技术难题.采用竹粉作为塑料的填充材料[3]不但解决了竹材加工废料的利用问题，而且可以减少塑料和木材的消耗量，降低塑料制品的价格，减少对于木材的依赖性.

作为增强材料的玻璃纤维对于塑料性能具有重要的影响，在制品的制备中已经得到了广泛的应用.在竹塑复合材料制备过程中，如何进一步提高复合材料的性能一直是一个非常关键的问题.对于竹塑复合材料，玻璃纤维也具有重要的影响[4]，本试验研究了不同玻璃纤维含量对竹塑复合材料性能的影响.

1 试验部分

1.1 原料

聚丙烯：T30S，兰州石化；竹粉：40目；马来酸酐接枝聚丙烯：宁波能之光新材料有限公司，GPM 200A；玻璃纤维：巨石集团有限公司；硅烷：KH-550 γ-氨丙基三乙氧基硅烷.

1.2 试验仪器

微机控制万能试验机:深圳市新三思材料检测有限公司；电子悬臂梁冲击实验机:承德市金建检测仪器有限公司,XJUD-5.5；TT1全自动塑料注射成型机:东华机械公司；塑料挤出机:TE系列双螺杆挤出机，科倍隆科亚(南京)机械有限公司；干燥箱：上海实验仪器总厂，202-2型.此外，还有混合机、天平和筛网等设备.

1.3 复合材料的制备

用60目筛网分捡出竹粉中的杂质，然后将竹粉和玻璃纤维放入干燥箱中，在105 ℃下干燥24 h，去除其中的水分和挥发物，将硅烷喷洒在竹粉和玻璃纤维表面.

将聚丙烯、马来酸酐接枝聚丙烯、竹粉和其他助剂按比例加入高速混合机中，搅拌5 min，速度为300 r/min，然后用双螺杆挤出机造粒，挤出温度为175 ℃，最后用注塑机制备出试样.

1.4 性能测试

按照GB/T 1040.2-2006，在万能试验机上以10 mm/min的速度对试样施加拉伸载荷，直到试样断裂.记录试样承受的最大力，然后按照以下公式计算试样的拉伸强度(MPa):

式中b为试样宽度，10 mm;d为试样厚度，4 mm;P为试样的最大拉伸载荷，N.

断裂伸长率按照以下公式计算：

式中L0为试样的原始标线距离，mm;L为试样断裂时的距离，mm.

用电子悬臂梁冲击试验机按照国标GB/T 1843-2008测试试样在高速冲头作用下产生塑性变形或破坏吸收的能量，然后按照以下公式计算试样的无缺口冲击强度(kJ/m2):

式中E为试样产生变形或破坏吸收的能量，J.

在万能试验机上控制压头以2.0 mm/min的速度运动，使试样发生弯曲.记录试样发生破坏或挠度达到6 mm时的最大载荷值，然后按照以下公式计算弯曲强度:

式中P为载荷值，N;L为试样的跨度，40 mm.

2 实验结果

2.1 玻璃纤维含量对竹塑复合材料力学强度的影响

图1 玻璃纤维含量对拉伸强度的影响 图2 玻璃纤维含量对断裂伸长率的影响

图3 玻璃纤维含量对冲击强度的影响 图4 玻璃纤维含量对弯曲强度的影响

玻璃纤维对于竹塑复合材料的力学性能具有显著的增强作用，加入10%玻璃纤维时，复合材料的拉伸强度达到最大值，比不加玻璃纤维提高了52%，冲击强度提高了8.4%；加入5%玻璃纤维时，弯曲强度达到最大值，较不加玻璃纤维提高了11%.

2.2 扫描电镜分析

复合材料的破坏主要表现为玻璃纤维的断裂和玻璃纤维与聚丙烯界面之间的脱粘.由图5和图6可以清晰地看见暴露在材料以外的纤维，说明玻璃纤维与复合材料之间的连接断裂，即玻璃纤维与复合材料界面之间的脱粘是一种主要的破坏形式.除此之外，可以清晰地看见玻璃纤维的圆形截面，证明玻璃纤维的断裂也是一种破坏形式.

图5 玻璃纤维含量为20%时的断口 图6 玻璃纤维含量为10%时的断口

玻璃纤维、竹纤维、聚丙烯分子之间形成了一个三维网状结构，微小的竹纤维填充在网格的空隙中，玻璃纤维的加入起到了加固竹纤维的作用.在拉伸和弯曲载荷的作用下，由于网格的作用，玻璃纤维成为主要的承载体，竹纤维所受的载荷较小，所以复合材料的拉伸和弯曲强度有较大的提高，当载荷达到临界值时，玻璃纤维与聚丙烯分子之间的连接逐渐断裂，造成强度逐渐降低.对于材料的冲击强度而言，当加入玻璃纤维时，玻璃纤维吸收冲击作用的能力较强，玻璃纤维和竹纤维都是承载体，所以试样的冲击强度提高，当含量增大到一定值时，玻璃纤维与竹粉之间并没有有效的连接，多余的玻璃纤维祈起到了割裂复合材料基体的作用，所以表现为冲击强度降低.

在硅烷和马来酸酐接枝聚丙烯的作用下，聚丙烯的分子链与玻璃纤维和竹粉形成了一个彼此相互关联的三维网格，在拉伸和弯曲载荷的作用下，当高分子链段试图发生相对移动时，链段间的玻璃纤维增加了与其他分子链段之间的关联性，阻碍了分子链的移动，表现为拉伸强度的提高.另一方面，分子链一旦突破玻璃纤维的阻碍发生相对移动时，玻璃纤维与分子链之间的连接也就断裂，所以试样的破坏表现为玻璃纤维与聚丙烯分子之间的脱粘.玻璃纤维的含量越大，对分子相对运动的阻碍越强，试样的断裂伸长率越小，使得材料的脆性和强度提高.随着玻璃纤维含量的增加，聚丙烯所占比重逐渐减少，玻璃纤维与竹粉之间逐渐形成了一些微小的空隙，因此力学性能有下降的趋势.

当玻璃纤维的含量较小时，分子链段移动需要克服的能量较小，此时玻璃纤维断裂、聚丙烯与竹粉之间的脱粘是主要的破坏形式.当玻璃纤维含量增加时，聚丙烯所占比重逐渐减少，玻璃纤维与聚丙烯之间的脱粘则成为主要的破坏形式.

3 结束语

(1)玻璃纤维可以明显地提高复合材料的拉伸、冲击和弯曲强度.

(2)当玻璃纤维含量在10%左右时，竹塑复合材料的拉伸、冲击和弯曲性能最好.

参考文献

[1] 郑丹丹,刘玉环.竹废料开发利用探讨[J].福建林业科技，2005，32(2)：39-41.

[2] 罗新湘，文瑞明.竹材加工剩余物开发利用研究述评[J].湖南城市学院学报，2004，13(3)：24-28.

[3] 王清文，王伟宏. 木塑复合材料与制品[M].北京：化学工业出版社，2007.

[4] 崔益华, Noruziaan Bahman, Lee Stephen，等. 玻璃纤维/木塑混杂复合材料及其协同增强效应[J].高分子材料科学与工程，2007，22(3)：56-58.