聚乙烯醇/稻草上段粉末复合材料的制备及性能研究

吴传保,王玉凤,尹健美

(九江学院化学与环境工程学院,江西九江332005)

聚乙烯醇/稻草上段粉末复合材料的制备及性能研究

吴传保,王玉凤,尹健美

(九江学院化学与环境工程学院,江西九江332005)

采用热压法制备了聚乙烯醇(PVA)/稻草上段粉末复合材料,研究了PVA用量、热压温度、热压时间对复合材料拉伸性能、弯曲性能和硬度的影响。采用扫描电子显微镜对复合材料的微观结构进行了表征。结果表明,复合材料的拉伸强度随PVA用量的增加呈现明显的上升趋势,适当提高热压温度和增加热压时间有利于提高复合材料的拉伸强度,但提高幅度不大。复合材料的硬度存在不均匀性,而且受原料配比和加工条件的影响较小。当PVA用量为40%,热压温度为140℃,热压时间为14 min,复合材料的拉伸强度最佳为7.54 MPa。

复合材料;稻草;聚乙烯醇;制备;力学性能

0 前言

我国是水稻种植大国,每年收获稻谷的同时,产生大量稻杆副产物。当前,相当一部分稻杆在田间被烧掉,既污染环境,又浪费资源。如果能将稻杆等农副产品转化为新型环保材料,替代部分塑料,则可以节约石油资源,降低白色污染。基于稻杆的复合材料,易降解,降解后可作肥料,回收可作燃料,是一种绿色环保可再生的材料,具有极大的发展潜力。关于稻杆的资源化利用已有一些报道[1-4]。

1 实验部分

1.1 主要原料

干稻草,九江市都昌县周溪镇;

PVA,17-88,湖南湘维有限公司。

1.2 主要设备及仪器

电脑控制万能材料试验机,MZ-2000D.D1,江都市明珠试验机械厂;

肖A硬度计,LX-A,江都市明珠试验机械厂;

平板硫化机,MZ-3012,江都市明珠试验机械厂;

扫描电子显微镜,VEGAⅡ-LSU,捷克 TESCAN公司。

1.3 试样制备

将稻草从中间截断,然后取上段,剪为1.5 cm的小段,即得稻草上段短切物。将稻草上段短切物在搅拌混料机中剪切20 s,过840μm筛得到稻草上段粉末和稻草上段丝片;

取一定质量的稻草上段粉末,加入10 mL自来水搅拌使稻草表面被水均匀润湿,然后加入一定质量的PVA,使总质量为30 g,搅拌均匀。将混合料装入不锈钢模具(125 mm×125 mm×2 mm),以二甲基硅油为脱模剂,在一定温度、13 MPa下热压一定时间,冷却至室温后脱模。

1.4 性能测试与结构表征

从试样中间选择边长为4 cm的正方形样片,分别测量4个顶点的硬度;

将试样裁成3.5 cm宽的样条,在万能材料试验机上测试复合材料的拉伸强度和弯曲强度,拉伸与弯曲速度均为5 mm/min;

在试样上裁切样品,裁切面喷金,在扫描电子显微镜下观察材料的内部形态及结构。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的拉伸性能

理论上来讲,复合材料的性能与原料配比、加工条件密切相关,这是因为PVA是使稻草之间实现热压结合形成块体材料的关键组分,原料配比及热压条件会影响PVA对稻草原料的润湿、包覆及粘接效果,进而影响复合材料的力学性能。由于本文制备的是稻草基复合材料,因此PVA的用量不超过50%。

图1 原料配比及加工条件对复合材料拉伸强度的影响Fig.1 Effect of material ratio and processing conditions on tensile strength of the composites

从图1可以看出,在热压温度为140℃、热压时间为10 min的条件下,复合材料的拉伸强度随 PVA用量的增加呈现明显上升趋势,这是因为PVA是起粘接功能的材料,PVA用量越大,稻草粉末之间形成的结合点越多,复合材料的拉伸强度就越高。

从图1还可以看出,当 PVA用量为40%时,随热压时间的增加和热压温度的升高,复合材料的拉伸强度呈现上升趋势。热压时间增加或热压温度升高,PVA水化、熔化较充分,对稻草粉末的浸润程度较大,稻草粉末之间的结合充分,拉伸强度提高。但是热压温度过高或热压时间过长,会使稻草本身发生变性,产品严重变黑。在原料配比、热压温度、热压时间3个因素中,原料配比是影响复合材料拉伸强度的主要因素,增加热压时间在一定程度上等效于升高热压温度。

复合材料在拉伸过程中会出现一个最大力,如果复合材料在最大力时断裂,则复合材料呈现脆性断裂,如果在最大力后材料不断屈服,拉力减小,最后在某个伸长率处断裂,则材料呈现韧性断裂。从图2可以看出,复合材料无论在何种配比和加工条件下,2种伸长率都基本相同,表明复合材料基本上发生的是脆性断裂。复合材料的断裂伸长率都在12%～16%之间,表明复合材料具有一定的柔性变形能力,这种变形性可能与复合材料的网状形态有关,原料配比、热压温度、热压时间均会影响网状结构中网点的数量和强弱,因而断裂伸长率存在一定的差异,但变化幅度不大。

2.2 复合材料的硬度

从图3可以看出,即使是同配比、同种加工条件下制备的复合材料,其表面不同位置的硬度也具有不均匀性,这一方面与稻草不同部位具有不同的硬度有关,另一方面也与复合材料表面存在稻草部分、PVA部分及两者的接触部分有关。加工条件的改变对硬度的影响与样品自身硬度的波动幅度基本相当,表明原料配比和加工条件对复合材料的硬度影响不大。

图2 原料配比及加工条件对复合材料断裂伸长率的影响Fig.2 Effect of material ratio and processing conditions on elongation at break of the composites

图3 原料配比及加工条件对复合材料硬度的影响Fig.3 Effect of material ratio and processing conditions on hardness of the composites

2.3 复合材料的弯曲性能

从图4可以看出,复合材料的弯曲强度随PVA用量的增加和热压温度的升高呈现上升趋势,因为这些因素会影响PVA的熔化、溶解、润湿稻草的程度。与拉伸强度相比,复合材料的弯曲强度较低,这与作用力的施加方式有关。由于试样是薄片,存在一定的柔性,在竖压过程中,易于弯折进而造成断裂。

图4 原料配比及加工条件对复合材料弯曲强度的影响Fig.4 Effect of material ratio and processing conditions on bending strength of the composites

图5 原料配比及加工条件对复合材料弯曲变形率的影响Fig.5 Effect of material ratio and processing conditions on bending strain of the composites

从图5可以看出,无论何种配比和热压温度下,复合材料的断裂弯曲变形率均大于压力最大时的弯曲变形率,表明在弯曲过程中,复合材料均发生韧性断裂。改变配比和热压温度,复合材料的弯曲变形率的变化不明显,基本是在一定范围内摆动,表明弯曲性能主要由稻草和PVA的特性决定,而在一定程度上不受外部因素的影响。

2.4 复合材料的微观结构

从图6可以看出,在材料截面上看不出粉末形态,表明稻草粉末在热压条件下发生了变形。材料内部存在大量孔洞结构,表明所制备的复合材料确实是稻草粉末被粘接形成了一种网状结构,这种网状结构使得复合材料具有一定的拉伸变形能力,从而显示出一定的柔性。断面粗糙部分为被剪断的稻草部分,断面光滑部分为被剪断的PVA。浅孔的底部和孔的侧部表面较为光滑,表明PVA润湿、涂覆在了稻草粉末表面,这是复合材料形成的根本原因。

图6 不同热压温度下复合材料微观结构的SEM照片Fig.6 SEM micrographs for microstructure of the composites at different temperatures

从图7可以看出,当PVA用量较小时,断面粗糙部分较多,孔洞结构明显,而当PVA用量较大时,断面光滑部分变多,稻草之间结合充分,这与复合材料的强度测量结果一致。

图7 不同PVA用量下复合材料微观结构的SEM照片Fig.7 SEM micrographs for microstructure of the composites with different content of PVA

2.5 稻草形态对复合材料性能的影响

填料对复合材料性能的影响规律通常是:纳米填料既增强又增韧,大颗粒填料使基体树脂的强度有所降低,而纤维填料则使基体树脂的强度明显提高。本文所制备的复合材料尽管是以稻草为主体,需要靠PVA粘接才能形成块体材料,但可以预测稻草的形态对复合材料的强度会有所影响。为此,在热压温度为140℃、热压时间为10 min、PVA用量为40%的条件下制备了 PVA/稻草下段短切物、PVA/稻草上段短切物、PVA/稻草上段丝片、PVA/稻草上段粉末复合材料,并考察了4种复合材料的拉伸性能。

在这4种复合材料中,稻草上段粉末是对稻草的纤维结构破坏最严重的,理论上强度应该是最差的。但从图8可以看出,稻草上段粉末却是制备复合材料最好的原料之一。稻草的下段是整根稻草中最为粗大强壮的部分,但实际上由其所制备的复合材料强度是最差的。这与通常复合材料的规律完全相反。PVA用量为40%时,PVA/稻草上段丝片复合材料的强度高于PVA/稻草上端粉末复合材料;但是PVA用量为50%时的结果正好相反。PVA/稻草下段短切物、PVA/稻草上段短切物、PVA/稻草上段丝片、PVA/稻草上段粉末复合材料的拉伸强度依次升高。原因可能与稻草本身的结构有关。稻草是一种天然植物,植物体中存在空穴结构,稻杆又是中空结构,这些都可以看作是稻草的缺陷,将稻草粉碎为粉末后,缺陷是破坏最彻底的,对复合材料性能影响的不利因素是排除最充分的,因而稻草上段粉末复合材料的强度是最高的。稻草下段短切物复合材料的强度低于稻草上段短切物这可能与稻草下段具有更大的中空结构有关。

从图8还可以看出,除了PVA/稻草下段短切物复合材料具有较大的断裂伸长率之外,其他复合材料大体具有相近的断裂伸长率,其间的差异可以看作是随机波动。PVA/稻草下段短切物复合材料具有较高的断裂伸长率可能与其较大的中空结构有关,稻杆的中空结构在热压过程中破坏,而 PVA不能充分进入到中空结构内部,造成稻草之间粘接不充分,易于发生相对移动,从而呈现较高的变形率。这表明当复合材料的强度达到一定程度时,其断裂伸长率只有随机变化。

图8 稻草形态对复合材料拉伸性能的影响Fig.8 Effect of straw shape on tensile properties of the composites

3 结论

(1)与通常复合材料不同,随着原料配比和加工条件的改变,PVA/稻草上段粉末复合材料的性能呈现独特的变化规律;拉伸强度随PVA用量的增加呈现明显的上升趋势,适当提高热压温度和增加热压时间有利于提高复合材料的拉伸强度,但提高幅度不大;

(2)PVA/稻草上段粉末复合材料的硬度存在不均匀性,而且受原料配比和加工条件的影响较小;

(3)稻草的形态会影响复合材料的拉伸强度,在稻草下段短切物、稻草上段短切物、稻草上段丝片、稻草上段粉末等形态中,稻草上段粉末是制备复合材料的最佳形态;

(4)在PVA用量为40%、热压温度为140℃、热压时间为14 min的条件下,PVA/稻草上段粉末复合材料的拉伸强度可达到7.54 MPa。

[1] 侯贵华,朱 祥.稻秆的表面改性及其对水泥水化与硬化的影响[J].建筑材料学报,2010,13(3):402-408.

[2] 彭金辉,张世敏.微波辐照稻杆制造活性炭[J].林产化学与工业,1999,19(3):88-90.

[3] 贾 翀,张 洋.稻草刨花板表面润湿性能的研究[J].西北林学院学报,2010,25(5):191-193.

[4] 曹旭辉,朱 祥,钟春伟,等.稻草纤维/镁水泥复合材料的性能研究[J].混凝土,2010,(5):61-63.

Preparation and Properties of PVA/Straw Powder Composites

WU Chuanbao,WANG Yufeng,YIN Jianmei
(College of Chemical and Environmental Engineering,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China)

Composites of poly(vinyl alcohol)(PVA)and upper-section straw powder were prepared by hot pressing.The effects of PVA content,pressing temperature,and pressing time on the tensile properties,bending properties,and hardness of the composites were studied.Scanning electron microscopy was used to characterize the microstructure of the composites.It showed that the tensile strength of the composites obviously increased with increasing content of PVA.If hot pressing temperature and hot pressing time were appropriately increased,the tensile strength of the composites would be improved but the rate of increase was moderate.The hardness of the composites showed non-uniform characteristics and was not affected obviously by material ratio and processing conditions.The tensile strength reached the highest value of 7.54 MPa,when the content of PVA was 40%and hot pressing was carried out at 140℃for 14 min.

composite;straw;poly(vinyl alcohol);preparation;mechanical property

TQ325.9

B

1001-9278(2011)07-0063-05

2011-03-22

江西省科技支撑计划项目(2010BNA09200)

联系人,wucbao@163.com