PE-HD/棉秆皮复合材料的制备及其性能研究

刘树荣,曹素娇,谭 斌,冯彦洪,瞿金平

(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重点实验室,广东广州510640)

PE-HD/棉秆皮复合材料的制备及其性能研究

刘树荣,曹素娇,谭 斌,冯彦洪,瞿金平＊

(华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心,聚合物成型加工工程教育部重点实验室,广东广州510640)

采用蒸汽爆破对含水率分别为30%、40%、50%的棉秆皮进行预处理,并与高密度聚乙烯(PE-HD)复合制备PE-HD/棉秆皮复合材料,研究了蒸汽爆破、棉秆皮含量、棉秆皮含水率对PE-HD/棉秆皮复合材料力学性能和密度的影响。结果表明,与未经蒸汽爆破处理的PE-HD/棉秆皮复合材料相比,蒸汽爆破预处理后制备的PE-HD/棉秆皮复合材料的力学性能更好;当棉秆皮含量为30%时,复合材料的综合力学性能最佳;复合材料的拉伸强度随棉秆皮含水率的增加而提高;复合材料的弯曲强度在棉秆皮含水率为40%时达到最大值。

棉秆皮;纤维;高密度聚乙烯;复合材料;蒸汽爆破;力学性能;密度

0 前言

植物纤维复合材料是一种环境友好型材料[1],近年来受到人们的广泛关注。植物纤维复合材料的开发将有效减缓植物纤维焚烧和塑料废弃物对环境造成的污染,并减少石油基塑料等紧缺资源的消耗。植物纤维来源广泛、价格低廉。但是,植物纤维具有亲水性,而聚合物基体具有疏水性,二者的相容性差,界面黏结强度低,会极大地影响其力学性能。对植物纤维进行改性预处理是提高植物纤维黏结强度的有效途径之一。蒸汽爆破预处理方法是近年来发展较快、有效、低成本、无污染的植物纤维改性技术[2],其基本原理是在高压下,水蒸气充分润涨植物纤维后,瞬间泄压,使纤维发生膨胀、破裂,导致纤维结构形态发生变化[3]。棉秆皮纤维的纤维素含量高、纤维柔韧细长、弹性好、强度高[4],是一种理想的植物纤维增强材料。目前,国内关于棉秆皮纤维复合材料的研究报道尚不多。本文采用蒸汽爆破技术对棉秆皮进行预处理,并制备了PE-HD/棉秆皮复合材料,研究了蒸汽爆破预处理、棉秆皮含量及棉秆皮含水率对复合材料力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

棉秆皮,山东省安丘市;

PE-HD,HD7000F,泰国PTT有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电热鼓风干燥箱,CS1013,重庆实验设备厂;

电子秤,精度为0.1 g,上海第二天平仪器厂;

分析天平,精度为0.1 mg,上海精密仪器设备厂;

蒸汽爆破装置,自行设计;

开放式炼塑机,SK-160B,上海橡胶机械厂;

平板硫化机,QBL-25D/Q,无锡市第一橡塑机械设备厂;

台式万能材料试验机,INSTRON 5566,美国 INSTRON公司。

1.3 试样制备

蒸汽爆破预处理:将棉秆皮浸泡在水中5 h,把棉秆皮含水率分别调至为30%、40%和50%,然后对棉秆皮进行连续式蒸汽爆破,将爆破后所得的纤维干燥、密封;

将棉秆皮纤维和PE-HD分别在80℃下干燥6 h,然后对干燥后的纤维和PE-HD进行开炼,实验配方如表1所示,开炼机前后辊温度均设为200～210℃,开炼6 min后,将复合材料在平板硫化机上压片,平板硫化机上下模的温度均设为200～210℃,模压压力为10 MPa,模压时间为6 min。

表1 实验配方表Tab.1 Experimental formula

1.4 性能测试与结构表征

按照 GB/T 1040.1—2006测试PE-HD/棉秆皮复合材料的拉伸性能,试样尺寸为150 mm×10 mm×4 mm,拉伸速度为10 mm/min;

按照 GB/T 9341—2008测试PE-HD/棉秆皮复合材料的弯曲性能,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm,测试速度为2 mm/min;

按照 GB1033—1986测试 PE-HD/棉秆皮复合材料的密度。

2 结果与讨论

2.1 蒸汽爆破预处理对纤维结构的影响

从图1(a)可以看出,在未处理的棉秆皮纤维中,由于半纤维素、木质素、果胶等成分具有一定的胶黏性,将纤维细胞粘成直径较大的纤维束。在蒸汽爆破处理过程中,半纤维素、木质素等成分在高温水蒸气的作用下会发生部分降解,同时,瞬间的泄压使高温高压水蒸气对棉秆皮纤维产生强大的冲击力,使纤维结构变松散,纤维变细,纤维表面变粗糙,表面积增大,如图1(b)所示。

图1 棉秆皮纤维的SEM照片Fig.1 SEM micrographs for cotton bast fibers

2.2 蒸汽爆破预处理对复合材料力学性能的影响

从表2可以看出,当棉秆皮的含水率为40%、含量为30%时,棉秆皮经蒸汽爆破处理后制备的复合材料的拉伸性能和弯曲性能均比未处理时好,其拉伸强度和弯曲强度分别提高了24.95%和12.85%。

表2 蒸汽爆破预处理对PE-HD/棉秆皮复合材料力学性能的影响Tab.2 Effect of steam explosion on mechanical properties of PE-HD/cotton bast composites

图2 PE-HD/棉秆皮复合材料的SEM照片Fig.2 SEM micrographs for PE-HD/cotton bast composites

从图2可以看出,棉秆皮未经过蒸汽爆破处理时,复合材料中棉秆皮纤维尺寸较大且不均匀,棉秆皮纤维与塑料基体的黏结界面处有较多空隙,棉秆皮纤维的外轮廓清晰可见,界面黏结强度较低,故复合材料的力学性能较差。棉秆皮经过蒸汽爆破处理后,复合材料中棉秆皮纤维变细而且均匀,棉秆皮纤维均匀分散在塑料中并与塑料基体紧密结合,界面黏结强度较高,复合材料的力学性能较好。

2.3 棉秆皮含量对复合材料力学性能的影响

从图3可以看出,含水率相同的棉秆皮经蒸汽爆破预处理后,随着棉秆皮含量的增加复合材料的拉伸模量逐渐提高,其拉伸强度呈现先增加后下降的趋势,并在棉秆皮含量为30%时达到最大值。这是由于棉秆皮纤维是一种柔韧、弹性好、强度高的增强材料,经过蒸汽爆破处理后,纤维结构发生了变化,纤维变得更细但又保留一定的长径比,增加了棉秆皮纤维与PE-HD基体的接触面积,同时蒸汽爆破使纤维表面变得更粗糙,提高了纤维与 PE-HD的界面黏结强度,因此随着棉秆皮含量的增加,复合材料的拉伸强度提高,但是当棉秆皮含量超过30%后,棉秆皮纤维容易发生团聚而产生应力集中,故拉伸强度开始下降。

图3 棉秆皮含量对PE-HD/棉秆皮复合材料拉伸性能的影响Fig.3 Effect of content of cotton bast on tensile properties of PE-HD/cotton bast composites

从图4可以看出,含水率相同的棉秆皮经蒸汽爆破预处理后,随着棉秆皮含量的增加,复合材料的弯曲强度和弯曲模量先增加后下降,在棉秆皮含量为30%时,复合材料的弯曲强度和弯曲模量达到最大值。这是由于棉秆皮纤维本身具有一定的刚性,且通过蒸汽爆破后形成比较细的纤维,经开炼分散在PE-HD基体中起骨架作用,能够有效提高复合材料抵抗形变的能力。当棉秆皮含量超过30%后,棉秆皮纤维不能有效均匀分散,与 PE-HD基体的接触面积减少,界面黏结强度下降,弯曲强度下降。

图4 棉秆皮含量对PE-HD/棉秆皮复合材料弯曲性能的影响Fig.4 Effect of content of cotton bast on bending properties of PE-HD/cotton bast composites

2.4 棉秆皮含水率对复合材料力学性能的影响

从图3可以看出,棉秆皮含量相同时,复合材料的拉伸强度随着棉秆皮含水率的增加而提高。棉秆皮纤维含水率较低时,棉秆皮纤维在蒸汽爆破过程中容易被炭化,随着含水率的增加,棉秆皮在蒸汽爆破时的爆破强度增大,纤维变细,表面粗糙度增加,提高了纤维与PE-HD基体的界面黏结强度,复合材料的拉伸强度提高。在棉秆皮含量为10%、20%、50%时,复合材料的拉伸模量随棉秆皮含水率变化不大;当棉秆皮含量为30%、40%时,复合材料的拉伸模量在棉秆皮含水率为40%时达到最大值。

从图4可以看出,棉秆皮含量相同时,复合材料的弯曲性能在含水率为40%时达到最佳。这是因为棉秆皮含水率大,蒸汽爆破强度大,纤维变细,纤维本身的刚性降低。含水率过低时,纤维在爆破过程容易碳化,强度下降,骨架作用减小。因此,在影响复合材料弯曲性能上棉秆皮纤维含水率存在一个最佳范围。

2.5 棉秆皮含量及含水率对复合材料密度的影响

从表3可以看出,复合材料的密度随着棉秆皮含量的增加而逐渐增大,随着含水率的增加而稍有下降。纯PE-HD的密度为0.9509 g/cm3,添加50%的含水率为30%、40%、50%棉秆皮的复合材料的密度分别比纯PE-HD提高了17.2%、16.5%、15.1%。

表3 棉秆皮含量及含水率对复合材料密度的影响Tab.3 Effect of content of cotton bast and its moisture content on density of the composites

3 结论

(1)蒸汽爆破处理后棉秆皮的纤维变细,长径比变大,表面变粗糙,纤维与 PE-HD基体的黏结强度得到改善,复合材料的力学性能提高;

(2)复合材料的力学性能随着棉秆皮含量的增加而提高,在棉秆皮含量为30%时,复合材料的力学性能最佳;

(3)蒸汽爆破处理时,棉秆皮含水率对复合材料的力学性能有明显影响,复合材料的拉伸强度随含水率增加而提高,弯曲强度在含水率为40%时最佳;

(4)复合材料的密度随着棉秆皮含量的增加而增大,随着含水率的增加而稍有下降。

[1] 鲁 博,张林文,曾竟成,等.天然纤维复合材料[M].北京:化学工业出版社,2005:1-70.

[2] 闫 军,冯连勋.蒸汽爆破技术的研究[J].现代农业科技,2009,(11):278-280.

[3] 解 英,吴宏武.表面处理方法对植物纤维增强高分子基复合材料性能的影响评述[J].化工进展,2010,29(7):1256-1262.

[4] 詹怀宇.纤维化学与物理[M].北京:科学出版社,2005:73-80.

[5] Byoung-Ho Lee,Hee-Soo Kim,SenaLee,etal.Biocomposites of Kenaf Fibers in Polylactide:Role of Improved Interfacial Adhesion in the Carding Process[J].Composites Science and Technology,2009,69(15):2573-2579.

[6] 康 鹏,郑宗明.木质纤维素蒸汽爆破预处理技术的研究进展[J].可再生能源,2010,28(3):112-114.

[7] Kalia S,Kaith B S,Kaur I.Pretreatments of Natural Fibers and Their Application as Reinforcing Material in Polymer Composites:A Review[J].Polymer Engineering and Science,2009,49(7):1253-1272.

[8] 唐文倩,吴宏武.剑麻增强醋酸纤维素复合材料的制备与性能研究[J].中国塑料,2008,22(6):12-18.

Preparation and Properties of PE-HD/Cotton Bast Composites

LIU Shurong,CAO Sujiao,TAN Bin,FEN G Yanhong,QU Jinping＊
(National Engineering Research Center of Novel Equipment for Polymer Processing,Key Laboratory of Polymer Processing Engineering of Ministry of Education,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Composites were prepared by blending high density polyethylene(PE-HD)with steamexplosion treated cotton bast.The effects of steam-explosion,cotton bast content,and moisture content on the mechanical properties and density of the composites were studied.It showed that steam-explosion improved the mechanical properties of the composites.The mechanical properties of the composites were the best when the content of cotton bast was 30%.The tensile strength of the composites increased with increasing moisture content of cotton bast;however the flexure strength was the best when moisture content was 40%.

cotton bast;fiber;high density polyethylene;composite;steam-explosion;mechanical property;density

TQ325.1+2

B

1001-9278(2011)07-0054-04

2011-03-31

国家科技支撑计划项目(2009BAI84B06)

＊联系人,jpqu@scut.edu.cn