竹粉改性聚氯乙烯材料的研究

杨中文 刘西文

（湖南科技职业学院 长沙 410118）

竹粉改性聚氯乙烯材料的研究

杨中文 刘西文

（湖南科技职业学院 长沙 410118）

采用竹粉填充聚氯乙烯，研究了竹粉纤维预处理、竹粉纤维含量、粒径大小对改性聚氯乙烯塑料性能的影响。发现对竹粉纤维进行碱处理、偶联处理可提高复合材料的拉伸强度，但冲击强度略有下降；竹粉纤维含量的增加、粒径增大会使改性聚氯乙烯塑料拉伸强度、冲击强度下降。该改性聚氯乙烯塑料的综合性能良好，仍有广阔的应用前景。

竹粉，改性，聚氯乙烯，材料

湖南益阳是我国的竹林之乡，竹制品生产规模较大，在竹制品加工厂生产过程中产生了大量的废弃竹材，为了充分利用该资源，我们将竹制品加工厂的废弃料粉碎并将其填充到聚氯乙烯，得到竹粉改性聚氯乙烯材料，以期解决大量废弃竹材料的问题，同时制得具有广泛用途的竹粉改性聚氯乙烯塑料材料。

本研究选用湖南益阳竹制品加工厂的废弃下脚料，通过对竹粉进行改性处理，实现改变竹粉与聚氯乙烯界面相互作用，以期得到性能较好的竹粉改性聚氯乙烯塑料材料。研究竹粉的碱处理、硅烷偶联剂处理、竹粉含量及粒径大小对改性聚氯乙烯力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原辅材料

PVC，SG-5，株洲化工集团；

竹粉（湖南益阳），过筛得到75μm、106μm、150μm、270μm的竹粉，自制；

硅烷偶联剂，KH560，南京曙光化工总厂；

其它助剂，硬酯酸、ACR401、ACRKM-355、二盐基亚磷酸铅、三盐基硫酸铅、硬酯酸钡、碳酸钙、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）等均为市售工业级产品。

表1 竹粉纤维/聚氯乙烯复合材料基础配方

表2 竹粉碱处理对竹粉改性聚氯乙烯材料性能的影响

表3 偶联剂处理对竹粉纤维/聚氯乙烯复合材料性能的影响

1.2 仪器与设备

高速混合机，GH-10，北京塑料机械厂；

双辊混炼机，SK160B，上海橡胶机械厂；

平板硫化机，YX-45，长沙橡胶机械厂；

万能制样机，ZHY-W，中山试验机总厂；

对创业知识理论体系的建构和创业实践能力的培养方面，高校团委要努力找准定位，切实的去发展发挥高校团委的组织优势。应该要立足实际，创业最主要的是实践能力，只停留于表面教育，那么真正落实与实处的话，学校的创业教育还是得不到体现。由高校团委引流，吸引校外资本和资金的流入，为学生创业团队提供一个资金的保障，在此同时也可以得到校外资本家、企业家的创业经验交流，由此，学生的创业团队不仅可以得到一定的资金支撑，还可以得到校外真正的实业家的经验分享和实用技能，而校外企业家也可以一起来分创业团队的成果，以此也可形成一种相对的创业资源的良性循环体系。

电子拉力机，LDX－200，济南兰光机电技术有限公司；

简支梁冲击实验机，XCJ-4，承德市材料试验机厂；

1.3 竹粉纤维的预处理

用20%的NaOH溶液浸泡竹粉粉48小时，用蒸馏水冲洗干净，去掉残留的NaOH，冲洗干净后，再将竹粉置于真空干燥箱中，185℃下真空干燥4小时；除去竹粉纤维粉中的水分和其他易挥发的组份，然后将硅烷偶联剂的水溶液雾喷到竹粉上搅拌混合均匀，干燥备用[1]。

1.4 试样的制备

基础配方：如表1所示。

工艺路线：如图1所示。

工艺条件：高速混合温度110℃，时间8分钟，开炼塑料温度165-175℃，时间12分钟，压制温度185-195℃，时间8分钟。

1.5 性能测试

拉伸强度按GB/T1049—92测定,拉伸速度5mm/min，温度为25℃；冲击强度按GB/T1043—93，测试样条无缺口。

2 结果与讨论

2.1 竹粉碱处理对竹粉改性聚氯乙烯材料的影响

对植物纤维进行碱处理是纤维改性的传统方法，目前己广泛用于天然植物纤维的改性处理。碱处理法使植物纤维中的部分果胶、木素、半纤维素等低分子量杂质被溶解以及微纤旋转角减小，分子取向提高，这样，纤维表面的杂质被除去，纤维表面变得粗糙，使纤维与界面树脂之间黏合能力增强[2-3]。另一方面，减处理导致纤维原纤化，即复合材料中的纤维束分裂成更小的纤维，纤维的直径降低，长径比增加，与基体树脂的有效接触面积增加。

对竹粉进行碱处理及不处理试验进行对比，结果表明碱处理后改性聚氯乙烯材料的拉伸强度有所增加而冲击强度有所下降，如表2所示。

碱处理竹粉填充到聚氯乙烯中去提高了复合材料的拉伸强度，原因可能是竹粉纤维通过碱处理，除去了纤维表面的油脂，纤维表面变得粗糙，增大了竹粉纤维与聚氯乙烯树脂的接触面积与黏合力，从而提高了竹粉改性聚氯乙烯塑料的拉伸强度，正是因为碱处理除去了竹粉纤维的油脂，减小了油脂存在于聚氯乙烯分子之间起增塑作用的情况，所以竹粉纤维通过碱处理后复合材料的冲击强度有所降低。

2.2 偶联剂处理对竹粉纤维改性聚氯乙烯塑料材料的影响

偶联剂用于无机填料填充热塑性塑料是众所周知的，实践证明偶联剂也可用于植物纤维填料填充改性热塑性塑料，本研究选用硅烷类偶联剂，硅烷偶联剂作用时烷氧基先水解形成羟基，然后和纤维表面的羟基反应形成氢键和醚键，而有机长链可以与聚合物作用，从而在纤维和聚合物中间形成较强的界面作用力[4]。结果表明，硅烷偶联剂处理竹粉纤维后填充聚氯乙烯其拉伸强度提高较大，而冲击强度有所下降，但下降幅度不大，如表3所示。

竹粉纤维与聚氯乙烯由于极性相差较大，所以它们之间的相容性差，通过偶联剂处理竹粉纤维，提高了竹粉纤维与聚氯乙烯的相容性，使竹粉纤维与聚氯乙烯树脂基体有很好的结合，所以使复合材料的拉伸强度得到了较大的提高。其机理如下：偶联剂的水解产物，一端的硅醇键（-Si-OH）一方面与竹粉纤维素表面的极性基团（-OH）形成了氢键的键合作用，另一方面两者脱水相连，另一端一方面胺基与PVC分子链上的-C1发生烷基化作用，胺基上的氢被烷基取代，另一方面与PVC长分子链发生物理缠结。因而使竹粉与PVC树脂的相容性提高，改性塑料材料的拉伸强度有所提高。复合材料冲击强度略有下降的原因可能是由于竹粉纤维与聚氯乙烯相容性提高后纤维与基体结合牢固，改性聚氯乙烯塑料材料的刚性提高导致材料的韧性下降。大量研究表明，填料与基体塑料界面黏粘强度并不是越高越好，如果填料与塑料用树脂界面黏结越好，则其层间剪切强度越高，但这时往往冲击韧性有所下降[5-6]。因为通常冲击能量的吸收和耗散是通过填充塑料中的填料，尤其是树脂的韧性不好时，则在应力作用下破坏增长过程的裂缝将很容易扩散到界面，呈现脆性破坏。当然，若界面黏结太弱，则在应力作用下，填充塑料会在裂缝增长之前呈现界面脱落而破坏。此外，界面缺乏黏结力，易存在空隙，则水分很容易渗透进其界面层而导致强度大大降低。

表4 竹粉纤维粒径对复合材料性能的影响

表5 竹粉纤维用量对改性聚氯乙烯塑料性能的影响

2.3 竹粉纤维粒径对复合材料性能的影响

一般来说填料的颗粒粒径越小，假如它能分散均匀，则填充塑料的力学性能越好，但同时颗粒的粒径越小，要实现其均匀分布就越难，需要更多的助剂和更好的加工设备。而且颗粒越细，所需要的加工费用越高，因此要根据需要选择适当粒径的填料。对于竹粉纤维填料，加工较细的颗粒越发困难。本研究采取了75μm、106μm、150μm、270μm的竹粉，在填充量为50Phr时进行研究。结果表明，竹粉纤维粒径越小，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸强度、冲击强度均越大，如表4所示。

纤维粒径越小，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸强度及冲击强度越高，原因可能是颗粒越小，填料与基体树脂的接触面积越大，特别是通过偶联处理纤维后，纤维与树脂有较好的相容性，另外颗粒大容易在材料中产生应力集中点，所以填料粒径小时复合材料的拉伸强度与冲击强度较高。

2.4 竹粉纤维用量对改性聚氯乙烯塑料性能的影响

除增强填料外，一般来说填料量增大，材料的强度有所下降，用竹粉纤维填充聚氯乙烯制得改性聚乙烯塑料性能变化符合该规律。本研究对150μm竹粉纤维填料，对其进行偶联处理，填充量分别为0份、10份、30份、50份进行了研究，结果表明，随着填充量的增加，复合材料的拉伸强度、冲击强度均下降，如表5所示。

普通填料(颗粒状)填充聚合物通常都使材料的拉伸强度下降，在填充塑料中填料为分散相，实际是被分割在基体树脂构成的连续相中，如同水中的岛屿一样。假定填料的颗粒之间没有空洞或者气泡而完全充满基体树脂，但在受力截面上基体树脂的面积必然小于纯树脂构成的材料。在外力作用下基体树脂从填料颗粒表面被拉开，因承受外力的总面积减小，所以填充材料的拉伸强度较未填充体系有所降低[7-8]。复合材料的冲击强度也降低，下降幅度较大，这是因为作为分散相的竹粉纤维颗粒在基体中起到了应力集中剂的作用，这些填料的颗粒是刚性的，不能在受力时变形，也不能终止裂纹或产生银纹吸收冲击能，因此使填充塑料的脆性增加。随着竹粉纤维填充量的增加，由于竹粉纤维填料密度低，填料所占据的体积增大，同时竹粉纤维颗粒分散性变差，颗粒堆砌较差，不仅提供了更多的应力集中点，而且更严重地影响了作为主要受理部分的PVC基体的连续性，从而使复合材料的冲击强度下降。

虽然竹粉改性聚氯乙烯塑料的拉伸与冲击性能随着竹粉纤维填料的增加而下降，但该材料具有环保、尺寸稳定、不生虫、不易着火燃烧等特点，而且价格方面与纯塑料比较有一定优势，所以该材料有望在许多场所代替木材使用，如可用于花园篱笆、仿木地板、建筑装饰板、家具等方面获得应用。

3 结论

（1）对竹粉纤维进行碱处理或偶联剂处理可以提高竹粉纤维改性聚氯乙烯塑料材料的性能。

（2）竹粉的粒径会影响聚氯乙烯改性塑料的性能，粒径越大，竹粉改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸强度及冲击强度均下降。

（3）竹粉纤维的含量对改性聚氯乙烯塑料性能影响较大，竹粉含量越大，改性聚氯乙烯塑料材料的拉伸强度及冲击强度越低。

（4）竹粉改性聚氯乙烯塑料材料具有环保、不虫蛀、尺寸稳定性好的特点，有望在园林篱笆、建筑装饰材料及家具制造方面获得应用。

[1]李新发，张慧勤等.PVC／锯末塑木材料的研制[J].塑料工业.2003，31（1）：3-5.

[2]王澜，董洁等.聚氯乙烯/稻壳粉木塑发泡制品的研究[J].塑料.2005，35（5）：1-5.

[3]殷古祥，杨光等.非木纤维填充PVC新型复合材料的研制[J].化学建材.2004，（1）：33-34.

[4]揣成智，李树等.聚丙烯/接枝木纤维复合材料相容性及性能的研究[J].中国塑料.2000，14（5）：23-28.

[5]Rana A K, Mandal A, et al.Short Fiber Reinforced Polypropylene Composites:Effect of Compatibilizer[]J.J Appl Polym Sci.1998，69：329-338.

[6]Selke S E，Wichman I.,Wood Fiber/Polvolefin Composites[J].Composites Part A，2004，35：321-326.

[7]陈军，倪海鹰.聚乙烯/稻草纤维复合材料的研究[J].塑料工业.2000 28（2）：30-31

[8]李忠明，杨鸣波等.秸秆/聚丙烯复合材料[J].塑料工业，2000 28（4）：9-11

[9]郑玉涛，陈就记.偶联剂与甘蔗渣/PVC复合材料性能的研究[J].中国塑料.2005，19（6）：94- 96

[10]盛旭敏,张卫勤等.木粉/LDPE复合材料的性能[J].塑料工业，2004，9（9）：48-50

Study on the modified PVC material with bamboo powder

YANG zhongwen LIU xiwen
(Hunan vocational college of science & technology ChangSha 410118)

Poly(viny chloride) was modifi ed by bamboo powder .The effects on modifi ed material properties, such as bamboo fi ber pretreatment, contents of bamboo powder and bamboo powder particles size were researched.The results showed that the tensile strength can be increased by alcali treated bamboo powder and organosilane(H 560)treated bamboo powder, but the impact strength were decreased a little bit.With the contents of bamboo powder increased and the bamboo powder particle diameter increased the tensile strength and the impact strength were decreased.the combination property of the modifi ed PVC material is perfect and will have wide application prospect in future.

Bamboo powder ，Modifi ed ，PVC，Material

湖南省教育厅支助课题，课题编号09C1189

湖南科技职业学院支助项目，项目编号KJ08006

杨中文，男，1963年出生，硕士，教授，湖南科技职业学院从事塑料加工技术教学与科研工作，研究主要方向为高分子材料改性。