竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能研究

周 钢 ，喻云水 ，2，吴庆定 ，姚 静

竹粉/高密度聚乙烯复合材料性能研究

周 钢1，喻云水1，2，吴庆定1，姚 静1

(1.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2. 竹业湖南省工程研究中心，湖南 长沙 410004)

研究了竹粉/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料的生产工艺，对其多项性能进行测试。采用双辊开炼机进行复合材料的共混制备；熔融指数仪测定不同配比复合材料的流动性；注塑成型机制备各种标准力学性能试样；拉力试验机和冲击试验机测试力学性能。结果表明随着竹粉含量的增加，材料熔融流动性大大降低；冲击强度下降明显；拉伸强度首先上升，在竹粉含量超过30%后又下降；注塑成型制品收缩率下降。

竹粉；高密度聚乙烯；复合材料；性能研究

近年来，随着复合材料科学技术的不断发展，采用木粉等生物质材料增强热塑性塑料复合材料已成为21世纪新材料领域研究热点之一[1-2]。木粉或竹粉资源丰富、价格低廉；制备复合材料时耗能少，对加工设备的损耗小；且木粉或竹粉最突出的特点就是具有生物降解性，这是其他增强材料无法比拟的优点[3-4]。以木粉或竹粉与热塑性材料制备复合材料可以大大降低材料成本，易于被消费者接受。竹材是一种优良的高性能天然生物质材料，具有极佳的拉伸强度和弹性模量，我国竹材资源丰富，现有竹林总面积420万hm2，竹材产量居世界第一。以竹代木，依靠科技创新拓展竹材应用领域是缓解森林木材资源贫乏、改善生态环境的有效措施。因此，竹塑复合材料的研究顺应了21世纪材料发展与环境相协调的要求。利用竹粉与热塑性塑料复合制备质优价廉的材料对促进我国各行业的发展[5-6]，减轻废旧塑料对环境造成的污染，改造传统的竹材产业，提高附加值，具有积极的意义。开展对竹塑复合材料性能研究无疑是应用竹塑复合材料的首要工作，复合材料性能同材料处理改性方法及各组分比例的关系也是我们研究的重点内容。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料如表1所示。

表1 实验材料Table 1 Experimental materials

1.2 实验仪器设备

实验仪器如表2所示。

表2 实验仪器设备Table 2 Experimental equipments

1.3 实验方法

1.3.1 竹粉处理

竹粉过14目筛，经过蒸馏水洗涤和碱处理后在103 ℃下干燥6 h备用。

1.3.2 相容剂HDPE-g-MA的制备

将高密度聚乙烯(质量分数94.4%)、马来酸酐(质量分数5%)和复配方引发剂(质量分数0.45% DCP和质量分数0.15% BPO)混合均匀，加入双螺杆挤出机中，挤出机加热段温度控制在160～190 ℃间，经过挤出、拉丝、造粒制得马来酸酐接枝HDPE。

1.3.3 竹塑复合材料制备

按表3配方分组制备竹粉/高密度聚乙烯复合材料。

将双辊开炼机加热30 min，调节双辊间距不超过4 mm。开动开炼机，将HDPE与相容剂混匀，倾倒在双辊之间，将混合物在开炼机上混炼熔融。待塑料颗粒熔融后，将竹粉均匀撒在塑料熔体上，并加入适量硬脂酸增塑剂，通过双辊开炼机进行混炼、捏合，并视混炼效果随时调整双辊间距。直至各组分混合均匀约1 min后，趁热用小铲刀将混合料刮下。待冷却后用破碎机破碎至尺寸低于5 mm的颗粒。

表3 竹粉/HDPE配比†Table 3 Bamboo powder/HDPE ratio

1.3.4 试样制备

将制备的竹塑复合材料颗粒在烘箱中85 ºC下干燥处理8 h，除去水分等杂质。然后采用注塑成型机加工出标准的拉伸和冲击力学性能测试样条。注塑成型加工温度参数如表4所示。

表4 注塑成型温度参数Table 4 Temperature parameters of injection processing

1.3.5 性能测试

将试样置于室温中24 h后，用游标卡尺测量尺寸变化，计算试样收缩率。

复合材料其他性能测试分别按下列标准执行：热塑性塑料熔体流动速率，GB/T 3682-2000，负荷2 160 g，温度190 ℃；塑料拉伸试验方法，GB/T 1040.2-2006，拉伸速度为1.0 mm/min；塑料简支梁缺口冲击试验方法，GB/T 1043-93，冲击能量为7.5 J。

2 结果与讨论

2.1 竹粉含量对复合材料熔体流动性的影响

由图1可见，随着竹粉含量的增加，复合材料熔体流动性大幅度的下降。挤出成型随着竹粉含量增加而挤出困难，同样在注塑成型加工时熔体充模困难，往往出现样条缺料、形状不完整的缺陷，使得竹粉添加比例难以超过40%。可以采取添加硬脂酸、聚乙烯蜡增塑剂等方法改善熔体流动性。

图1 竹粉含量对复合材料熔体流动性的影响Fig. 1 Effects of bamboo powder content on melt fluidity of composites

2.2 竹粉含量对复合材料收缩率的影响

由图2可见，随着竹粉含量的增加，复合材料收缩率下降明显。由于竹粉在冷却中收缩变形不明显，而HDPE随熔体冷却收缩较大，因此竹粉的存在阻碍了复合材料的收缩，致使收缩率下降。这说明随竹粉含量增加，制品在熔融加工过程中的尺寸稳定性、尺寸精度得到提高。

图2 竹粉含量对复合材料收缩率的影响Fig. 2 Effects of bamboo powder content on shrinkage Percentage of composites

2.3 竹粉含量对复合材料拉伸强度的影响

由图3可见，随着竹粉比例增加，竹塑复合材料拉伸强度呈明显上升趋势，说明竹粉在HDPE基体中起到了增强体的作用。但当竹粉含量超过30%，拉伸强度下降。这是由于随着竹粉比例上升，由于两组分之间的界面相容性问题，导致了界面间结合力下降，致使强度下降[7]。

图3 竹粉含量对复合材料拉伸强度的影响Fig. 3 Effects of bamboo powder content on tensile strength of composites

2.4 竹粉含量对复合材料冲击强度的影响

由图4可见，随着竹粉含量增加，复合材料冲击强度先呈下降趋势。当高于20%，未超过30%时，冲击强度下降数值维持不变，高于30%后又呈现明显下降。认为竹粉分散在基体材料HDPE中时，由于两相之间界面相容性并没有达到理想的状态，在承受冲击破坏时，竹粉在基体材料中成为应力集中源，使得冲击强度整体呈现下降趋势。

图4 竹粉含量对复合材料冲击强度的影响Fig. 4 Effects of bamboo powder content on impact strength of composites

3 结 论

(1)竹粉/高密度聚乙烯复合材料熔体流动性能随竹粉含量增加而下降的趋势明显，致使材料加工工艺性能变差。为改善流动性，便于热成型加工，可添加适量的硬脂酸、聚乙烯蜡等增塑剂。

(2)复合材料的注塑成型收缩率随竹粉含量增加而下降，使得制品在熔融加工过程中的尺寸稳定性、尺寸精度得到提高。

(3)在竹粉含量低于30%时，复合材料拉伸强度随竹粉含量增加而上升，超过30%后开始下降，这说明竹粉含量过大导致界面相容性变差，对材料拉伸强度产生较大影响。

(4)随竹粉含量增加，复合材料冲击强度下降较快，这是由于竹粉分散在基体材料HDPE中时，两相之间界面相容性并没有达到理想的状态，在承受冲击破坏时，竹粉在基体材料中成为应力集中源，使得冲击强度整体呈现下降趋势。

(5)在制备竹塑复合材料时，界面相容性问题对材料性能产生较大影响[8-9]。解决相容性的关键问题是如何使亲水的强极性竹粉表面与疏水的非极性的塑料基体界面之间具有良好的结合力，从而使竹粉表面层与塑料基体的表面层之间达到分子级的融合。如何提高界面结合力，探索界面结合机理将是我们今后工作的主要方向。

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Study on the performance of bamboo powder and HDPE composites

ZHOU Gang1, YU Yun-shui1,2, WU Qing-ding1, YAO Jing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Hunan Provincial Engineering Research Center of Bamboo Industry, Changsha 410004, Hunan, China)

The processing technology of bamboo powder and HDPE composites was studied, and several performances of the composites were tested. The composites were prepared by blending bamboo powder with HDPE, using double-roll open mill. The melt fluidity of different ratio composite materials was measured by the fusion index instrument. Various standard mechanical property samples were made by injection forming machine. The mechanics performances of the composites samples were tested by tensile testing machine and impact testing machine. The results show that as the bamboo powder content ratio rose, the composites melt fluidity declined greatly;the impact strength dropped obviously; the tensile strength ascended at first, then it went down when the bamboo powder content ratio exceeded 30 percent, and the shrinkage percentage of injection products decreased.

bamboo powder; HDPE; composites; performance study

S784

A

1673-923X(2012)01-0113-04

2011-11-20

湖南省科技重大专项(2011FJ1006)；湖南省自然科学基金项目 (09JJ6071)；湖南省教育厅高校产业化培育项目(11cy027)；中南林业科技大学青年基金项目(2009032B)；中南林业科技大学木材科学与技术国家重点学科资助项目

周 钢(1969—)，男，江苏徐州人，副教授，博士研究生，主要从事高分子材料与工程专业的教学及科研；

E-mail：newavi@163.com

喻云水(1964 —)，男，湖南宁乡人，教授，博士，博士生导师，主要从事木材科学与技术专业的教学及科研

[本文编校：欧阳钦]