麻纤维增强聚乙烯复合材料的制备及性能研究

童 伟，薛 平 ，贾明印，丁 筠*，严自立，张建春

（1. 北京化工大学机电学院，北京 100029； 2. 中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，北京 100082）

麻纤维增强聚乙烯复合材料的制备及性能研究

童 伟1，薛 平1，贾明印1，丁 筠1*，严自立2，张建春2

（1. 北京化工大学机电学院，北京 100029； 2. 中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，北京 100082）

通过双螺杆挤出造粒，注塑成型制备了麻纤维增强高密度聚乙烯（HDPE）复合材料，测试了复合材料的力学性能并观察其微观结构，分析了相容剂马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）的用量和麻纤维的含量对复合材料力学性能的影响。结果表明： PP-g-MAH的加入提高了苎麻/HDPE复合材料的力学性能，并且在PP-g-MAH含量为5%时，拉伸强度最高，提高了12%；在PP-g-MAH含量为10%时，具有最佳的抗冲击强度和拉伸断裂伸长率，分别提高了113%和125%。此外，随着麻纤维含量在0%~20%内逐渐增加，复合材料的拉伸强度随之提高，麻纤维含量为20%时提高了28%。扫描电镜（SEM）断面形态观察发现，随着相容剂含量的增加，改善了树脂基体对麻纤维的包裹，有效地增强了HDPE与麻纤维的界面粘接。

苎麻纤维；HDPE；增强；力学性能；微观结构

天然纤维高分子复合材料作为一种物美价廉的绿色材料已经受到人们越来越多的青睐，并且已广泛应用于国内外多种行业。麻纤维作为天然纤维当中的一种，纤维长度长，具有较高的取向度、结晶度及纵向弹性模量[1]，与玻璃纤维相比较，麻纤维密度小、比强度高、其成本和生产能耗也比较低，并且麻纤维具有良好的自然降解性。麻纤维高分子复合材料的开发和应用已然成为近年来绿色新材料的研究热点之一。

由麻纤维分子构成可知，麻纤维中含有大量的羟基，这些羟基之间形成氢键使得麻纤维具有很强的亲水性，然而很多聚合物基体如聚烯烃等都是疏水性的，导致麻纤维与树脂基体的界面相容性较差，从而降低复合材料的力学性能。因此，麻纤维与树脂基体的界面相容性问题一直是制备具有良好力学性能复合材料的关键。现阶段解决该问题的化学方法主要有碱液处理、偶联剂处理和相容剂界面粘结等，其中相容剂处理方法操作简单、应用广泛并且具有比较明显的效果。Mariano Pracella[2]等利用PP-g-GMA改性大麻/PP复合材料，结果表明由于相容剂的加入有效提高界面粘结和复合材料的延展性和刚性，同时改善纤维在树脂基体中的分散。此外，马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）在解决相容性问题方面也具有突出的效果[3,4]。另一方面，麻纤维含量也是是影响麻纤维高分子复合材料各项力学性能的重要因素。J.R.Araujo[5]等就卡罗阿叶纤维/HDPE复合材料中纤维含量对复合材料的拉伸以及弯曲性能进行研究，结果表明随着卡罗阿叶纤维含量的增加，复合材料的拉伸和弯曲强度分别提高了55%和95%。

本文以经过预处理的苎麻落麻纤维作为增强材料，以高密度聚乙烯（HDPE）作为聚合物基体，将原料通过双螺杆挤出机造粒，并注塑成型复合材料样条，研究相容剂含量以及麻纤维含量对复合材料力学性能和形态的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

HDPE树脂：5010，盘锦石化生产。硅烷偶联剂：KH550，市售。马来酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）：上海日之升新技术发展有限公司生产。硬脂酸：市售。苎麻落麻：湖北嘉鱼富仕纺有限公司生产。

1.2 实验设备及仪器

烘箱：SFG-02.400型，黄石市恒丰医疗器械有限公司。高速混合机：SHR-50A型，张家港市三兴江帆机械厂。同向双螺杆挤出机：KS20，昆山科信橡塑机械有限公司。注塑机：TTI-90F2，东华机械有限公司。万能实验机：XWW-20型，承德金建检测仪器有限公司。冲击实验机：ZBC3 1400-2型，深圳新三思材料检测有限公司。扫描电子显微镜（SEM）：S-4700型，日本HITACHI公司。

1.3 复合材料的制备

将经过偶联剂处理和高速混合机分散的麻纤维与HDPE树脂按不同的比例混合加入双螺杆挤出机中造粒，再将充分干燥的粒料加入注塑机中制备样条。在研究PP-g-MAH含量对复合材料影响的实验中，苎麻纤维与HDPE含量分别固定为20%和80%，相容剂变量分别为：0、5%、10%、15%、20%；在研究苎麻纤维含量对复合材料影响的实验中，PP-g-MAH含量固定为10%，麻纤维变量分别为：0、5%、10%、15%、20%。

1.4 复合材料的力学性能测试

将苎麻/HDPE复合材料的粒料制成的标准样条，拉伸强度按照GB/T 1040-2006标准测定；抗冲击强度按照GB/T1043-2008标准进行无缺口样条测定。

2 实验结果及讨论

2.1 PP-g-MAH含量对复合材料力学性能的影响

PP-g-MAH含量对复合材料抗冲击强度的影响见图1，对拉伸强度及断裂伸长率的影响见图2，对拉伸模量的影响见图3。

图1 PP-g-MAH含量对复合材料抗冲击强度的影响Fig.1 Effect of PP-g-MAH content on the impact strength of the composite

图2 PP-g-MAH含量对复合材料拉伸强度及断裂伸长率的影响Fig.2 Effect of PP-g-MAH content on the tensile strength and elongation at break of the composite

图1给出了PP-g-MAH含量对苎麻/HDPE复合材料抗冲击强度的影响。

图3 PP-g-MAH含量对复合材料拉伸模量的影响Fig.3 Effect of PP-g-MAH content on the tensile modulus of the composite

从图1中可看出PP-g-MAH加入改善了苎麻/HDPE复合材料抗冲击强度。随着PP-g-MAH含量增高，抗冲击强度呈现出先增加后降低的趋势。当加入的相容剂含量为10%时，复合材料抗冲击强度达到43 kJ/m2，比无相容剂的复合材料提高了113%，复合材料的冲击性能提高显著；但随PP-g-MAH含量继续增加，在10%~20%的区间复合材料的冲击性能呈现缓慢下降的趋势。

图2是PP-g-MAH含量对苎麻/HDPE复合材料拉伸强度以及断裂伸长率的影响曲线，从图2中可以看出加入相容剂之后拉伸强度和断裂伸长率均有提高。PP-g-MAH含量为5%时，复合材料所表现的拉伸强度最好，达到32 MPa，比无相容剂复合材料的拉伸强度提高了12%；当PP-g-MAH含量提高至10%时，复合材料的断裂伸长率最高，比无相容剂时提高了125%，继续提高PP-g-MAH含量，复合材料断裂伸长率略有下降。

图3是PP-g-MAH含量对苎麻/HDPE复合材料拉伸弹性模量的影响，从图3中可以看出复合材料拉伸模量随PP-g-MAH含量增加缓慢上升，在PP-g-MAH含量为15%时达到峰值3 456 MPa，提高了70.2%，继续增加PP-g-MAH含量，拉伸模量略有下降。

2.2 PP-g-MAH含量对复合材料微观结构的影响

PP-g-MAH含量分别为0%、5%、10%、15%的电镜扫描照片见图4(a)、(b)、(c)、(d)。

图4 复合材料断面SEM图Fig.4 SEM micrographs of the fractured surface of the composite

从图4(a)中可以看出未加PP-g-MAH，复合材料断面有很多突出的麻纤维，随着PP-g-MAH含量的逐渐增加，图4(b)、(c)、(d)中裸露在HDPE树脂基体表面的麻纤维逐渐减少，PP-g-MAH增强了树脂基体与麻纤维表面界面的粘结以及树脂基体对麻纤维的包裹。

结合前面图1-3力学性能测试分析表明PP-g-MAH与树脂基体具有良好的相容性，在合适的用量范围内，加入PP-g-MAH能够在一定程度上改性麻纤维表面，即与纤维中羟基基团的共价键连接形成酯键，中和苎麻纤维的极性，降低麻纤维的表面能，提高麻纤维与树脂基体的界面粘结，增强树脂基体对麻纤维的包裹，与树脂基体产生有效粘结，因此在一定用量范围内随含量增加能提高复合材料的力学性能。但是随PP-g-MAH用量继续增加，在麻纤维周围存在反应剩余的PP-g-MAH，PP-g-MAH分子链自我缠结反而降低了麻纤维与树脂基体的粘结，从而降低了力学性能[6]。

2.3 麻纤维含量对复合材料力学性能的影响

由前面2.1节可以看出，在PP-g-MAH含量为10%时，苎麻/HDPE复合材料的综合力学性能最优，因此，在PP-g-MAH含量为10%的基础上分析麻纤维含量对复合材料力学性能的影响。

麻纤维含量对复合材料拉伸强度及断裂伸长率的影响见图5，对拉伸模量的影响见图6，对抗冲击强度的影响见图7。图5给出了麻纤维含量对苎麻/HDPE复合材料拉伸强度和断裂伸长率的影响，从图5中可以看出保持PP-g-MAH含量不变时，随着麻纤维含量由0%增加到20%，拉伸强度由24.7 MPa提高至32.7 MPa，增加了32.4%；断裂伸长率随着麻含量的增加有所降低，复合材料的延展性略有下降。

图5 麻纤维含量对复合材料拉伸强度及断裂伸长率的影响Fig.5 Effect of ramie fibre content on the tensile strength and elongation at break of the composite

图6 麻纤维含量对拉伸模量的影响Fig.6 Effect of ramie fibre content on the tensile modulus of the composite

图7 麻纤维含量对复合材料抗冲击性能的影响Fig.7 Effect of ramie fibre content on the impact strength of the composite

图6是麻纤维含量对苎麻/HDPE复合材料弹性模量的影响，随着麻纤维含量的增加，拉伸模量呈现逐渐升高的趋势，由1 004 MPa提高至4 231 MPa，增加了3倍。图7给出了麻纤维含量对苎麻/HDPE复合材料抗冲击强度的影响，在0%~20%的范围内增加苎麻纤维的含量，复合材料的抗冲击强度呈降低趋势。当麻纤维含量在0%~10%之间时，复合材料抗冲击强度下降缓慢，复合材料韧性保持较好；继续增加苎麻纤维含量时，复合材料的冲击性能开始降低。

可见麻纤维含量的增加能够有效改善复合材料的拉伸性能，尤其对于拉伸弹性模量的提高具有显著的影响，但是对于复合材料的抗冲击强度没有明显改善。在提高了纤维含量之后，复合材料的弹性模量有所上升同时断裂伸长率有所下降，这可能是因为加入的麻纤维会阻止由高分子链的运动所造成的塑性变形[5]。另外，在保持相容剂含量不变的条件下，麻纤维的增多势必在一定程度上降低树脂基体界面粘结和包裹，同时，随着麻纤维含量的增加，在树脂基体内部麻纤维含量较多的地方由于与树脂基体的粘附较差容易在粘结面形成微裂纹或产生不均匀应力[7]。由这两方面原因，在麻纤维复合材料中提高麻纤维含量会导致抗冲击强度的下降。

3 结 论

（1）PP-g-MAH对于苎麻/HDPE复合材料的力学性能有较好的改善作用，特别是对抗冲击强度和拉伸模量的改善最为明显。与不加PP-g-MAH相比，PP-g-MAH含量为10%时，复合材料具有最佳的抗冲击强度，同时拉伸强度、拉伸弹性模量与断裂伸长率也均有显著提高。

（2）在0%~20%范围内，麻纤维含量增加对复合材料的拉伸强度和拉伸模量具有良好的增强作用，其中拉伸模量提高了3倍；逐渐增加麻纤维含量复合材料的冲击性能和断裂伸长率略有降低。

（3）SEM观察显示加入PP-g-MAH有利于改善麻纤维与树脂基体的界面粘结与包裹，使苎麻纤维与HDPE界面结合力加强，防止麻纤维从树脂基体中拔出，从而提高麻纤维增强复合材料的性能。

［1］张璐,黄故.麻纤维增强热塑性复合材料及其开发应用[J].玻璃钢/复合材料,2010(3):81-83.

［2］Mariano Pracella, Donatella Chionna, Irene Anguillesi，Zbigniew Kulinski, Ewa Piorkowska. Functionalization, compatibilization and properties of polypropylene composites with Hemp fibres[J]. Composites Science and Technology, 2006(66):2218-2230.

［3］Yong Lei, Qinglin Wu, Fei Yao, et al. Preparation and properties of recycled HDPE/natural fibre composites[J].Composites: Part A, 2007(38):1664-1674.

［4］孙占英,韩海山,戴干策.剑麻/聚丙烯复合材料的冲击性能及其预测[J].复合材料学报,2009,26(6):8-17.

［5］J.R.Araujo, B.Mano, G..M.Teixeira, M.A.S.Spinacé, Marco-A, De Paoli. Biomicrofibrilar composites of high density polyethylene reinforced with curauá fibres: Mechanical, interfacial and morphological properties[J]. Composites Science and Technology, 2010(70):1637-1644.

［6］A. K. RANA,A. MANDAL,B. C. MITRA,R. JACOBSON,R. ROWELL,A. N. BANERJEE. Short Jute Fibre-Reinforced Polypropylene Composites: Effect of Compatibilizer[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1998(69):329-338.

［7］Smita Mohanty, Sanjay K. Nayak. Interfacial, dynamic, mechanical and thermal fibre reinforced behavior of MAPE treated sisal fibre reinforced HDPE COMPOSITES[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006(102):3306–3315.

Preparation and Mechanical Properties of Ramie Fibre-reinforced Polyethylene Composites

TONG Wei1,XUE Ping1,JIA Ming-yin1,DING Yun1*,YAN Zi-li2,ZHANG Jian-chun2
（1. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China；2. The Equipment Research Institute of the General Logistics Department of the CPLA, Beijing 100082, China）

The high density polyethylene（HDPE）/ramie fibre composite was prepared by twin-screw extruder and injection molding, and mechanical properties and microstructure of the composite were researched. Effect of compatiblilizer maleic anhydride grafted polypropylene （PP-g-MAH）dosage and ramie fibre content on mechanical properties of the composite was analyzed. The results show that PP-g-MAH can increase mechanical properties of the ramie/HDPE composite. When 5% PP-g-MAH is added into the composite, the tensile strength is increased by 12%; when 10%, the composite has the best impact strength and elongation at break and they are increased by 113% and 125%. On the other hand, the tensile strength of the composite can be improved by increasing the fibre content. The tensile strength can be increased by 28% when the content of fibre is 20%. SEM micrograph of the fractured surface of the composite has identified that as the compatiblilizer content increases, the interfacial adhesion of the HDPE and fibre is effectively enhanced.

Ramie fibre; HDPE; Reinforcement; Mechanical properties; Microstructure

TQ 325.1+2

A

1671-0460（2011）12-1217-04

北京化工大学 中央高校基本科研业务费项目 JD1106

2011-07-28

童伟（1985-），男，福建三明人，在读硕士研究生，研究方向：麻纤维增强复合材料。E-mail：tongwei19851112@sina.com。

丁筠，讲师，博士，研究方向：高性能聚合物复合材料。E-mail：echody@sohu.com，电话：010-64436016。