秸秆粉/PP微孔发泡复合材料的发泡工艺研究

葛正浩, 石美浓， 田普建， 秦宇渤

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021; 2.西安东风仪表厂，陕西 西安 710021)

0 引言

木塑复合发泡材料可以克服一般木塑复合材料诸如密度大、成本高的缺点，同时改善隔音隔热性能[1].目前国内的木塑发泡产品主要为挤出发泡成型的异型材，其表面质量及附加值较低、形状较为复杂的功能性产品几乎没有.采用注塑发泡成型的木塑复合发泡材料的优点为可改善现有木塑发泡制品形状不能完全满足实际使用要求的状态，扩大木塑发泡制品的使用范围，表面光泽度高，外观尺寸更加精确，可以进一步节约能源，降低生产成本，提高生产效率，具有良好的经济和社会效益[2-4].

本文采用化学发泡法，在普通注塑机上制得了各项性能较好的秸秆粉/PP基发泡复合材料的试样.主要通过AC发泡剂含量、EVA含量、偶联剂种类和含量及挤出机的工艺参数等单因素来研究最佳发泡工艺[5-8].

1 实验部分

1.1 样品

聚丙烯，牌号T30 S，庆阳石化分公司；秸秆粉，山东大龙木粉厂；AC发泡剂，桂林广和新材料科技有限公司；马来酸酐接枝聚丙烯，宁波能之光新材料有限公司；DN-302，南京道宁化工有限公司；硅烷偶联剂：山东多维桥化工有限责任公司；钛酸酯，南京曙光化工有限公司；PE蜡，临沂正元石蜡化工有限公司；EVA，扬子石化-巴斯夫有限责任公司；超微细滑石粉，莱州市双龙矿粉厂；氧化锌，天津开发区海品化学试剂厂；纳米碳酸钙，山西新泰纳米材料有限公司；扩散粉，深圳金华圣化工有限公司.

1.2 主要设备及仪器

注塑机，TT1-130F2V全自动塑料注射成型机，东华机械公司；塑料挤出机，TE-20同向双螺杆挤出机，科倍隆科亚(南京)机械有限公司；混料机，张家塔市生光降解塑料机械厂；破碎机，昶康机械(型号CKPE-9)；干燥箱，中华人民共和国上海市实验仪器厂；电子秤，202-2型，上海实验仪器总厂；镊子，市售；XJU-22悬臂梁冲击试验机，君瑞仪器设备有限公司；拉伸试验机，型号CMT5105，深圳市新三思材料检测有限公司；弯曲试验机，型号CMT5504，深圳市新三思材料检测有限公司.

2 试样制备与性能测试

2.1 试样制备

用一定数目的筛网分捡出秸秆粉中的杂质，然后将秸秆粉放入干燥箱中，在85 ℃下干燥2 h，去除其中的水分和挥发物.采用马来酸酐接枝聚丙烯(或DN-302，钛酸酯，硅烷偶联剂)作为偶联剂，PE蜡作为润滑剂，加上其它助剂，制备秸秆粉/聚丙烯复合材料[9].采用AC发泡剂、LDPE、EVA和超微细滑石粉，制备发泡母粒.将以上原料分别加入高速混合机中，搅拌15 min，速度为300 rpm[10,11].然后用双螺杆挤出机在170～180 ℃温度范围内得到PP/秸秆粉粒料，在140～150 ℃温度范围内得到发泡母粒，将PP/秸秆粉粒料和发泡母粒按比例混合，用注塑机制备出试样(GB/T 1040.2-2006)[12，13].

2.2 性能测试

本次试验研究的是PP/秸秆粉木塑复合材料的发泡效果及材料的力学性能.因此，对标准制件的测量主要是称量制件的重量、材料的冲击韧性的测量、拉伸和弯曲性能的测量.这些数据，可以用作不同配料的质量比较和生产上品质验收依据，有的还可以作为使用性能指标和工程设计数据.

(1)标准试样密度的测量

实验中要比较的是材料的密度，这里通过测量制件的重量，计算材料的密度.根据实验室现有的条件，采用的是电子秤.将称量好的试件数据记录后，在数据处理时换算为密度.根据国家标准GB1033-86 塑料密度和相对密度试验方法.

(2)材料力学性能的测量

本次试验中冲击强度的测量主要采用的是摆锤式简支梁冲击试验.根据国家标准GB1043-79塑料简支梁冲击试验方法.

拉伸性能，根据国家标准GB1040-79塑料拉伸试验方法.

弯曲性能，根据国家标准GB1042-79塑料弯曲试验方法.

3 结果分析与讨论

3.1 AC发泡剂含量对发泡材料密度和力学性能的影响

图1 AC发泡剂含量对密度的影响

图2 AC发泡剂含量对力学性能的影响

如图1,2所示：随AC发泡剂含量的递增，发泡材料密度先增加后减小；抗拉、抗弯强度逐渐减小；而冲击强度逐渐增加.其原因是当AC含量比较少时，发气量不足，试样内部的泡孔数量少且尺寸比较大，泡孔分布不均，甚至会出现大的空洞，故密度比较小;随着AC含量的继续增加，泡孔尺寸变得细小且分布均匀，试样的表观密度开始下降;当AC含量增加到一定程度时，放热型AC在发泡过程中放热量迅速增加，使得熔体局部过热，使得熔体强度降低，不能承受气泡内压，泡孔开始塌陷或合并，最终导致表观密度上升[14].

3.2 EVA含量对发泡材料密度和力学性能的影响

图3 EVA含量对密度的影响

图4 EVA含量对力学性能的影响

如图3,4所示：表面改性剂EVA的添加量为12%时，可以提高复合发泡体系的弯曲强度和拉伸强度，但对密度的影响较小.但EVA添加量超过秸秆粉质量的12%时，冲击强度、拉伸强度和弯曲强度增加趋势变缓慢，其原因是：秸秆粉表面改性剂用量过多，出现过剩的情况，秸秆粉表面覆盖过多的表面改性剂，形成较厚的界面过渡层，造成秸秆粉与PP之间界面结构的不均匀性.而且表面改性剂的力学性能弱于树脂基体，过多会造成材料的力学性能不能随表面改性剂的使用量增加而增加;当秸秆粉表面改性剂用量太少时，秸秆粉表面没有被完全包覆，难以形成良好的过渡分子层，起不到有效的改善界面相容性的效果，材料的力学性能不能得到提高.

3.3 偶联剂种类和含量对发泡材料密度及力学性能的影响

图5 偶联剂种类对密度的影响

图6 偶联剂种类对冲击强度的影响

图7 偶联剂含量对力学性能的影响

如图5,6,7所示：偶联剂MAH-g-PP的含量为6份时，发泡材料的密度最小为0.91 g/mm2，冲击强度最大为13.13 KJ/m2.不同偶联剂对木塑复合材料机械性能的影响各不相同，这和偶联剂的结构有关，尤其是和其烯烃结构有关.当MAH-g-PP用量超过6份时，复合材料力学性能的变化均减小，这是因为PP树脂和稻壳中刚性分子的阻碍作用，并不是所有的轻基都能参与反应，所以随相容剂用量增多，发生酷化反应的几率会大大下降，可见MAH-g-PP用量在木塑复合材料中有一个饱和值.

3.4 挤出机的工艺参数对发泡效果的影响

图8 挤出工艺对密度的影响

图9 挤出工艺对抗弯、抗拉、冲击强度影响

如图8,9所示：挤出机三区、四区和五区的螺杆温度为150 ℃时制备的发泡母粒对秸秆/PP的发泡效果最好.产生上述现象的可能原因是：相对于150 ℃，165 ℃时有一部分秸秆纤维可能被炭化，致使秸秆纤维的含量减少，导致秸秆纤维增强塑料的效果降低；同时，165 ℃时，木塑熔体的粘度较小，秸秆纤维在熔体中的分布比较均匀，被包覆效果好[15].

4 结束语

(1)AC发泡剂含量为4份时，密度最小为0.95 g/mm2,冲击强度最大为14.88 KJ/m2.

(2)随EVA含量的增加,密度减小，冲击强度增大，12%以后密度与冲击强度基本不变，密度达到最小0.84 g/mm2，冲击强度最大11.4 KJ/m2.

(3)MAH-g-PP 6份时冲击强度达到最大为11.56 KJ/m2.

(4)制备发泡母粒时挤出机螺杆温度为150 ℃时，密度达到0.94 g/mm2,冲击强度达到12.04 J/m2.

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