微晶纤维素含量对PE-HD复合材料性能的影响

李宏林,杨桂生,吴玉程

(1.合肥工业大学材料与科学工程学院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖学院化学与材料科学系,安徽巢湖 238000)

微晶纤维素含量对PE-HD复合材料性能的影响

李宏林1,3,杨桂生1,2＊,吴玉程1

(1.合肥工业大学材料与科学工程学院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖学院化学与材料科学系,安徽巢湖 238000)

采用熔融共混法制备了微晶纤维素(MCC)含量分别为50%、60%和70%的高密度聚乙烯(PE-HD)/MCC复合材料,研究了MCC含量对其力学性能、流变行为、热变形温度和断口形貌的影响。结果表明,加入MCC能有效提高PE-HD的弯曲强度、弯曲模量和拉伸强度,其中MCC含量为60%时材料力学性能最好;MCC的加入显著提高了PE-HD的热变形温度,且MCC含量为60%时复合材料热变形温度最高;PE-HD/MCC复合材料断口形貌表明MCC在基体中分布较均匀,MCC含量为60%时其与PE-HD基体之间的相容性最好。

微晶纤维素;高密度聚乙烯;复合材料;力学性能;流变行为

0 前言

MCC是由天然纤维素经稀无机酸水解达到极限聚合度的极细微的白色短棒状无定形或结晶粉末[1],无臭、无味。MCC的生产及应用具有得天独厚的优势。在丰富的纤维素资源中,木本植物纤维资源具有可再生性,成本较低,对环境的影响较小,能够创造较高的经济效益,对其开发利用是目前材料领域研究的一个方向。A ji[2]等用MCC增强聚乳酸(PLA)制备出生物降解性能优异的复合材料,为MCC的应用开辟了新的领域。

PE-HD是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂,不吸湿并具有较好的防水蒸汽性,可用于包装领域。PE-HD具有很好的电性能,特别是绝缘介电强度高,非常适用于电线电缆材料。中到高相对分子质量的PE-HD具有极好的抗冲击性,在常温甚至在-40℃下均如此,但其成型收缩率大、耐磨性不足、热变形温度不高、不易染色等缺点又限制了其应用范围。这些缺点可以通过与其他材料共混得到显著的改善。已有研究者通过添加云母等无机填料[3-6]来改善PE-HD性能并得到很好的增强效果。近年来,随着人们对环境友好材料的重视,开始研究采用天然植物纤维作填料来制备PE-HD复合材料[7-9],但采用MMC作填料的研究并不多。

本文采用熔融共混法制备了PE-HD/M CC复合材料,研究了M CC含量对复合材料力学性能、流变行为、热变形温度和断口形貌的影响,为 PE-HD/MCC复合材料的加工应用提供一定的理论依据和实验数据。

1 实验部分

1.1 主要原料

PE-HD,JH 910,熔体流动速率为7.5 g/10 m in,密度为0.963 g/cm3,韩国大韩油化工业公司;

棉短绒MCC,长约200μm,直径约20μm,新疆奎屯新大陆化学有限公司;

相容剂,UF-M PE,熔体流动速率为20 g/10 min,广州源锋新材料有限公司。

1.2 主要设备及仪器

同向双螺杆挤出机,SHJ35,长径比为35,南京杰亚挤出装备有限公司;

注塑机,HTF60W 1,宁波海天塑机基团有限公司;

电子万能试验机,CM T4204,深圳市新三思材料检测有限公司;

流变仪,ARES,美国Rheometrics公司;

微机控制热变形维卡软化试验机,ZW K1302,深圳市新三思材料检测有限公司;

扫描电子显微镜,JSM-6490LV,日本电子公司。

1.3 试样制备

按表1配比称料,采用双螺杆挤出机共混挤出,MCC采用侧加料方式,挤出前原料分别在真空80℃下烘干24 h。螺杆转速为135 r/min,温度分别为105、115、130、150、155、175、180 ℃。将得到的粒料和纯PE-HD基体分别在注塑机上注射成型,注射温度180℃、注射压力35 M Pa。试样在23℃、相对湿度50%环境中放48 h后备用。

表1 实验配方表Tab. 1 Experimental formula

1.4 性能测试与结构表征

按照ASTM D790测试PE-HD/MCC复合材料的弯曲强度和弯曲模量,测试速度为1.25 mm/m in;

按照ASTM D638测试PE-HD/MCC复合材料的拉伸强度,拉伸速度为50 mm/min;

按照ASTM D6110测试 PE-HD/MCC复合材料的冲击强度,摆锤能量为2 J;

采用直径25 mm平板装置在压缩空气流中测试复合材料的流变性能。测试温度190℃,剪切频率范围为0.5～100 rad/s;

按照ASTM D648测试PE-HD/MCC复合材料的热变形温度,升温速率为120℃/h;

采用扫描电子显微镜观察PE-HD/MCC复合材料冲击断面形貌及MCC的分布情况。

2 结果与讨论

2.1 PE-HD/MCC复合材料的力学性能

从图1可以看出,PE-HD/MCC复合材料除了冲击强度比基体小,弯曲强度、拉伸模量和拉伸强度均比基体有显著提高,且2#试样力学性能最突出。这是因为4%界面相容剂在60%MCC的复合材料中发挥了最佳作用,使MCC与基体相容性较其余两者更好,从而使其表现出更优越的力学性能。可见MCC含量较高的复合材料具有较好的力学性能。

2.2 PE-HD/MCC复合材料的流变性能

从图2可以看出,2#试样的黏度、损耗模量和储能模量是最高的,1#、3#试样的黏度、损耗模量和储能模量均比基体低。分析原因可能由于1#、3#试样添加的MCC与PE-HD基体相容性较差,MCC的存在促进了PE-HD分子链的运动,从而表现出比基体较低的黏度、损耗模量和储能模量;而2#试样添加的 MCC与PE-HD基体相容性很好,阻碍了 PE-HD分子链的运动,从而表现出比基体较高的黏度、损耗模量和储能模量。

2.3 PE-HD/MCC复合材料的热性能

从图3可以看出,PE-HD/MCC复合材料的热变形温度比基体高很多。这主要由于MCC是硬质物料,能有效防止基体受热变形。2#试样比1#和3#试样的热变形温度高,这可能是由于MCC与PE-HD相容性最好,必须在更高的温度才能使MCC与PE-HD基体分离发生变形。可见,MCC的加入能有效提高PE-HD基体的使用温度范围,且复合材料的热变形温度与界面相容性相关。

图1 PE-HD/MCC复合材料的力学性能Fig.1 Mechanical properties of PE-HD/MCC composites

图2 PE-HD/MCC复合材料的流变曲线Fig.2 Rheological behavior of PE-HD/MCC composites

2.4 PE-HD/MCC复合材料断面形貌

从图4可以看出,MMC在PE-HD基体中分布较均匀,1#和3#试样中MCC表面较光滑,且与 PE-HD基体之间有较大的间隙,而2#试样中MCC表面有断裂时撕扯留下的 PE-HD,且与基体的间隙较小,说明2#试样中的MCC与基体相容性较好。

图3 PE-HD/MCC复合材料的热变形温度Fig.3 Heat distortion temperatureof PE-HD/MCC composites

图4 PE-HD/MCC复合材料断口形貌的SEM照片Fig.4 SEM micrographs fo r morphology of fractured surface of PE-HD/MCC composites

3 结论

(1)MCC含量为60%时,PE-HD/MCC复合材料力学性能最好;

(2)MCC含量为60%时,PE-HD/MCC复合材料具有较高的黏度、损耗模量和储能模量;

(3)MCC的加入显著提高了PE-HD基体热变形温度,且MCC含量为60%时,PE-HD/MCC复合材料热变形温度最高;

(4)MCC在基体中分布较均匀,MCC含量为60%时,与基体的相容性最好。

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Effects of Microcrystalline Cellulose Content on Properties of PE-HD Composites

LI Honglin1,3,YANG Guisheng1,2＊,WU Yucheng1
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Shanghai Genius Advanced Material Co,Ltd,Shanghai 201109,China;3.Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu College,Chaohu 238000,China)

High density polyethylene(PE-HD)composites filled with microcrystalline cellulose(MCC)were prepared by melt blending.The effects of MCC content on the mechanical property,rheological behavior,heat distortion temperature and surface morphology were studied.It showed that MCC improved the mechanical properties and the heat distortion temperature.The optical content of MCC was found as 60%,which resulted in a uniform dispersion of MCC in PE-HD matrix.

microcrystalline cellulose;high density polyethylene;composite;mechanical property;rheological behavior

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)10-0043-04

2010-06-30

＊联系人,ygs@geniuscn.com