增韧剂对竹塑复合材料性能的影响1)

文月琴 徐建锋 宋剑斌 杨文斌

(福建农林大学，福州，350002)

增韧剂对竹塑复合材料性能的影响1)

文月琴 徐建锋 宋剑斌 杨文斌

(福建农林大学，福州，350002)

为研究聚烯烃弹性体(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯系热塑性弹性体(SBS)3种增韧剂对竹粉/高密度聚乙烯复合材料的增韧机理，制备韧性较好的竹粉/高密度聚乙烯复合材料；分别加入不同质量分数的POE、EPDM、SBS制成竹粉/高密度聚乙烯复合材料试样，并对其进行力学性能和流变性能测试。力学性能测试结果表明：随着3种增韧剂质量分数的增加，复合材料的冲击强度均明显增大，拉伸强度和弯曲强度均减小。当POE、EPDM质量分数为30%，SBS质量分数为40%时，复合材料的冲击强度最好；流变性能测试结果表明，低频区复合材料的储能模量和损耗模量总体随着增韧剂质量分数的增加而增大，说明随着增韧剂质量分数的增加，复合材料的黏弹性增强。

竹塑复合材料;增韧剂;力学性能;流变性能

竹塑复合材料是一种环境友好型的新型材料，它兼具竹子和塑料的优良性能，且轻质高强、耐腐蚀性能、抗湿膨胀性能良好，可应用于地板、家具、天花板、包装箱、土木工程建筑等行业中[1-3]。目前国内外对其研究主要集中在界面相容性、成型工艺及流程等方面，如：在界面相容性方面，Sonia[4]、Kamal[5]、Oksman[6]、张文杰[7]、宋永明等[8]都有相关研究；在成型工艺及流程工艺方面，胡圣飞等[9]、薛平等[10]、曾石等[11]都有深入研究。增韧剂POE、EPDM、SBS为3种增韧效果较好的增韧剂。国内外对这3种增韧剂的使用主要在塑料方面，贾宝山等[12]研究了SBS增韧聚碳酸酯，杨美珠[13]研究了SBS、EVA、CPE、MBS对阻燃聚丙烯塑料的增韧，李桂娟等[14]研究了EPDM对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的增韧，张彩霞等[15]研究了POE、EPDM对尼龙66的增韧。竹塑复合材料由竹粉和塑料复合而成，由于竹粉具有较高的刚性，制备的竹塑复合材料通常为脆性材料，韧性较差，实际使用过程中容易破裂，因此对竹塑复合材料进行增韧意义重大，但目前对竹塑复合材料增韧方面研究不多。为此，笔者通过在竹塑复合材料加入3种不同增韧剂制成试样，研究不同增韧剂对竹塑复合材料的增韧效果。

1 材料与方法

1.1 原料

竹粉，粒径≤0.18 mm，浙江临安市明珠竹木粉有限公司；高密度聚乙烯(HDPE)，型号8008，福建联合石油化工有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，美国陶氏CPZ-2012，马来酸酐质量分数8%；聚烯烃弹性体(POE)，型号7467，美国陶氏化学公司；三元乙丙橡胶(EPDM)，型号580HT，美国狮子化学公司；苯乙烯系热塑性弹性体(SBS)，型号YH-792，中国石油化工股份有限公司巴陵分公司。

1.2 仪器设备

密炼机，型号S(X)-1L-K，常州苏研科技有限公司；强力破碎机，型号PC-400A，潮州市龙河塑胶有限公司；塑料注射成型机，型号HY-500，宁波海鹰塑料机械有限公司；微机控制电子万能试验机，型号CMT 6104，深圳市新三思计量技术有限公司；摆锤冲击试验机，型号ZBC-25B，深圳市新三思材料检测有限公司；热变形维卡软化试验机，型号ZWK-3，深圳市新三思计量技术有限公司；旋转流变仪，型号HAAKE MARS III，美国Thermo Fisher Scientific公司。

1.3 方法

①将竹粉放在恒温干燥箱于80 ℃下干燥24 h[16]；②每组试验试样总量360.0 g，按表1设定的成分比例称取HDPE、MAPE、增韧剂(POE或EPDM或SBS)，在温度为170.0 ℃、转速为40 r/min的密炼机中混合3 min；③加入108.0 g竹粉(总量的30%)混合密炼10～15 min，取出冷却；④将冷却后的竹塑复合材料在粉碎机中破碎，得小颗粒物料备用；⑤将破碎的颗粒物料在射嘴温度185 ℃，一段温度180 ℃，二段温度170 ℃下注塑成型，制成标准试件。

表1 试样成分比例

1.4 性能表征

力学性能测试：拉伸强度在室温条件下，利用万能力学试验机按国家标准GB/T 1040—2006[17]测试，设定试验机测试速度为10 mm/min，试样的原始标距为115 mm。弯曲强度在室温条件下，利用万能力学试验机按国家标准GB/T 9341—2008[18]测试，设定试验机测试速度为10 mm/min，试样长度为80 mm，试样跨度为64 mm。冲击强度在室温条件下，利用摆锤冲击试验机按国家标准GB/T 1043.1—2008[19]测试。

动态流变性能测试：利用HAAKE旋转流变仪进行流变性能测试，测试方式采用平行板方式，设置旋转平板与载物台间距为2.0 mm，试验采用了频率扫描，从低频率到高频率来表征增韧剂对竹粉/高密度聚乙烯复合材料的增韧效果。设置温度(T)=175 ℃，应力(τ)=300 Pa，频率(f)=1.000～100 Hz。

2 结果与分析

2.1 增韧剂质量分数对复合材料力学性能的影响

表2—表4为不同质量分数增韧剂的复合材料的拉伸强度、弯曲强度与冲击强度，可以看出随着3种增韧剂质量分数的增加，复合材料的冲击强度总体上增加，唯一的例外是当EPDM质量分数从0增加到10%时，复合材料的冲击强度减少；而随着3种增韧剂质量分数的增加，复合材料的拉伸强度和弯曲强度总体上减小，唯一的例外是当EPDM质量分数从10%增加到20%时，复合材料的拉伸强度不变。即3种增韧剂的加入，均增大了复合材料的冲击韧性，但降低了复合材料的拉伸性能与弯曲性能。

表2 POE质量分数对复合材料性能的影响

表3 EPDM质量分数对复合材料性能的影响

表4 SBS质量分数对复合材料性能的影响

随着POE的加入，当复合材料收到冲击时，基体中的POE作为应力集中点产生大量微小裂纹，随后在基体中支化吸收大部分冲击能，而大量微小裂纹之间相互干扰阻碍了裂纹的进一步扩展，使得复合材料的韧性得到提高；而在EPDM/HDPE共混物体系中，复合材料的强度主要取决于连续相HDPE的性能，EPDM的加入使两相的分子链之间互相渗透，使得HDPE结晶受到阻碍，结晶度降低，球晶的尺寸减小，从而导致共混物刚性降低。EPDM的增韧机理和POE类似，但当EPDM加入量较少时(少于10%)，由于EPDM颗粒之间的间距较大，对微小裂纹的阻碍作用较小，甚至由于颗粒太小，埋入微小裂纹中对复合材料的韧性产生影响；由SBS增韧的复合材料中，由于增韧剂SBS本身的拉伸、弯曲强度比HDPE的拉伸、弯曲强度小。SBS增韧HDPE是因为SBS在HDPE基体中呈现颗粒状分布，当复合材料受到冲击时，复合材料中出现粒子的空洞化，从而引发HDPE基体的剪切屈服。粒子空洞化和基体剪切屈服将吸收其冲击能量，从而使得HDPE的韧性得以提高。

2.2 竹塑复合材料的动态流变行为

储能模量(G′)与周期形变中能量的储存和释放有关，表征复合材料的弹性；损耗模量(G″)是复合材料形变过程中发生黏性流动而产生的内耗，表征复合材料的黏性[20]，因此储能模量越大，复合材料的弹性越好，损耗模量越大，复合材料的黏性越好。图1为不同质量分数增韧剂的复合材料的储能模量和损耗模量对频率的依赖性，在低频区(1～5 Hz)的同一频率可准确反映不同质量分数增韧剂的复合材料的储能模量和损耗模量的大小关系。

图1 频率对复合材料的储能模量和损耗模量的影响

从图1a、图1b可以看出，POE质量分数为30%时，复合材料的储能模量和损耗模量均最大，即复合材料的弹性和黏性均最好；从图1c和图1d可以看出，EPDM质量分数为30%时，复合材料的储能模量和损耗模量均最大，即复合材料的弹性和黏性均最好；从图1e、图1f可以看出，SBS质量分数为40%时，复合材料的储能模量和损耗模量均最大，即复合材料的弹性和黏性均最好。

竹塑复合材料的形成可以简单描述为：塑料与竹粉接触，由于极性的竹纤维的吸附，塑料基体与之结合，降低了竹粉表面能，在一定温度和压力下，塑料熔体在竹粉表面铺展、渗透，形成界面，经过充分搅拌后形成稳定的界面层，形成整体复合物，而复合材料通过界面层传递应力。在复合过程中添加3种增韧剂后，增韧剂的一端与竹粉接枝，另一端与塑料接枝，使得形成的复合材料界面稳定性进一步加强，在流变性能中表现为储能模量和损耗模量的增加。因此随着3种增韧剂质量分数的增加，复合材料的储能模量和损耗模量呈现增加的趋势，进而提高复合材料的黏性和弹性。当SBS质量分数为40%时，复合材料的黏性和弹性最好；而对于POE和EPDM而言，当加入量增加到一定程度后，对竹粉与塑料的接枝改性达到最佳效果；超过该比例后，由于增韧剂未能与竹粉和塑料接枝，反而增加了竹粉表面能，使得储能模量和损耗模量降低。

3 结论

3种增韧剂均可以提高竹粉/HDPE复合材料的韧性。力学性能测试结果表明：增韧剂POE、EPDM和SBS的加入提高了竹粉/HDPE复合材料的冲击性能，但降低了其拉伸性能和弯曲性能；动态流变测试结果表明：增韧剂POE、EPDM质量分数为30%时，SBS质量分数为40%时，复合材料的弹性和黏性均最好。

因此，在实际使用过程中要求竹塑复合材料的韧性较高的情况下，可加入质量分数30%的增韧剂POE制备竹塑复合材料。

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Effects of Flexibilizer on Bamboo-plastic Composite Properties

Wen Yueqin, Xu Jianfeng, Song Jianbin, Yang Wenbin(Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：104-107.

We prepared the toughness bamboo flour/HDPE composite to study the toughening mechanism of three kinds of flexibilizer (Polyolefin Elastomer (POE), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Styrenic Thermoplastic Elastomer (SBS)) on bamboo flour/HDPE composite. We added different contents of POE, EPDM and SBS to prepare bamboo flour/HDPE composite samples, and measured the mechanical properties and rheological properties. With the increasing of three kinds of flexibilizer content, the impact strength of composite was all increased obviously, but the tensile strength and bending strength were all decreased. When the contents of POE and EPDM were 30%, and the content of SBS was 40%, the impact strength of composite was best. By rheological property testing, the storage modulus and loss modulus in low frequency region were increased when the content of flexibilizer was increased, and with the increasing of three flexibilizers， the viscoelasticity of composite was increased.

Bamboo-plastic composite; Flexibilizer; Mechanical property; Rheological property

1) 国家自然科学基金项目(31170535，30771683)。

文月琴，女，1990年11月生，福建农林大学材料工程学院，硕士研究生。E-mail：1318606151@qq.com。

杨文斌，福建农林大学材料工程学院，教授。E-mail：fafuywb@163.com。

2014年9月15日。

TU531.3

责任编辑：戴芳天。