改性剑麻纤维含量对聚丙烯性能的影响

2018-01-24 05:09黄雪秋
中国塑料 2017年12期
关键词:样条熔体改性

黄雪秋,黄 芳,雷 禄,马 璐

(1.百色学院预科教育学院,广西 百色 533000;2.广西师范学院化学与材料科学学院,广西 南宁 530001)

0 前言

SF具有质地坚韧、弹性好、拉伸强度高、耐摩擦、耐腐蚀、耐低温等优点,其表面含有羟基基团,容易与高分子聚合物发生共聚形成复合材料[1]。SF经过改性处理后,一方面可以提高纤维素含量和结晶度,从而使力学性能大幅度提高;另一方面处理后的纤维表面积增加,改善了纤维和树脂的界面[2-3]。SF改性PP材料因其强度高,耐摩擦、耐腐蚀、耐热性好等优点而在汽车制造业中具有广泛应用[4-5]。

本文首先将SF改性处理,以PP为基体、PP-g-MAH为界面增容剂,通过共混挤出、注塑等工艺得到PP/SF/PP-g-MAH复合材料。根据文献[6-7],SF碱处理的浓度、时间和相容剂PP-g-MAH的用量均可对材料性能产生影响。分析了改性SF增强PP/SF/PP-g-MAH复合材料热性能、熔体流动速率、燃烧性能及力学性能的变化,为SF在塑料加工改性方面的进一步工业化应用和研究提供了参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

PP,HJ-550,上海天健塑化有限公司;

SF,使用前将其剪成长度为5 cm,广西剑麻有限公司;

硅烷偶联剂,KH-550,分析纯,上海达瑞精细化学品有限公司;

PP-g-MAH,GS-5,南京德巴化工有限公司;

乙醇,分析纯,天津市光复科技发展有限公司;

氢氧化钠,分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机,SHR-5A,南京杰亚挤出装备有限公司;

双螺杆挤出机,SHJ-20,南京杰亚挤出装备有限公司;

注射成型机,HTF90W1,宁波海天塑机集团有限公司;

维卡软化点温度测定仪,XRW-300,承德市金建检测仪器有限公司;

熔体流动速率仪,XNR-400,承德市金建检测仪器有限公司;

电子天平,BS210S-WE1,北京赛多利斯天平有限公司;

电热恒温鼓风干燥箱,DHG-9070A,上海精宏实验设备有限公司;

水平垂直燃烧测定仪,CZF-3,南京市江宁区分析仪器厂;

组合冲击试验机,XJ-50Z,承德大华试验机有限公司;

微机控制电子万能试验机,WDW3050,长春科实验仪器有限公司;

缺口制样机,JJANM,承德大华试验机有限公司。

1.3 样品制备

原料处理:将SF浸泡于浓度为20 %的NaOH溶液中1 h,用去离子水洗涤至中性,80 ℃下烘干至恒重;将烘干的SF用浓度为5 %的硅烷偶联剂乙醇溶液浸泡1.5 h,用去离子水洗净,80 ℃下烘干至恒重;将SF剪成5 mm的短纤维,按表1 的配方将PP、SF、PP-g-MAH在高速混合机中混合均匀,得到PP/SF/PP-g-MAH复合材料,待用;

挤出造粒:挤出机1~6区的温度分别为195、205、210、215、215、205 ℃,机头温度为195 ℃,喂料频率为46.8 Hz,主机频率为8.0 Hz,螺杆转速为135 r/min;待温度稳定后,启动冷却系统,加料挤出造粒;将造好的粒料于80 ℃下烘干至恒重;将第一次挤出造粒得到的原料在相同条件下进行第二次挤出造粒,最后将粒料于80 ℃下烘干至恒重;

表1 样品配方表Tab.1 Formulation of the samples

注射成型:注塑机1~4区的温度分别为190、205、215、225 ℃,喷嘴温度为215 ℃,待温度恒定后,加料注射成型;将注塑好的样条装袋置于干燥处,备用。

1.4 性能测试与结构表征

熔体流动速率测试:温度为230 ℃,切割时间为1 min/次;待温度恒定后投料并压紧物料,预热4 min使炉温恢复至设定温度;切取样条后,挑选5条光滑无气泡的均匀样条称重,并计算其平均值;根据式(1)计算熔体流动速率;

(1)

式中MFR——熔体流动速率,g/10 min

W——样条质量的算术平均值,g

t——切样时间间隔,min

维卡软化点测定:按GB 1634.2—2004测试,试样厚度为4 mm,长度和宽度均为10 mm,记录当压针插入试样1 mm时的温度,即为该试样的维卡软化点;

阻燃性能测试:样条尺寸为125 mm×13 mm×3 mm,在距离试样一端25 mm和100 mm处垂直于长轴画2条标线;将试样水平加持在试样夹上,下方放一水盘,点着本生灯并调节火焰,使灯管在垂直位置时火焰高度为20 mm,将本生灯倾斜45 °;运行测定仪,记录样条从第一条标线燃烧至第二条标线的时间;取3条样条的平均燃烧时间,根据式(2)计算燃烧速率;

(2)

式中V——燃烧速率,mm/min

L——烧损长度,mm

T——烧损长度L所用的时间,s

拉伸强度按GB/T 1040—2006测试,哑铃形样条,拉伸速率为30 mm/min;

弯曲强度按GB/T 9341—2000测试,长条状样条,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm,弯曲速率为2 mm/min;

冲击强度按GB/T 1843—1996测试,试样尺寸为80 mm×10 mm×4 mm;缺口按ISO 2818:1994进行加工,制得A型缺口,缺口深度为1 mm,摆锤速率为3 m/s,冲击速率为2.8 m/s,冲击能量为5.9 J。

2 结果与讨论

2.1 熔体流动速率分析

从图1可以看出,随着改性SF含量的增加,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的熔体流动速率呈下降的趋势,在未加入改性SF时,PP/PP-g-MAH复合材料的熔体流动速率为3.7 g/10 min,当改性SF含量为30 %时,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的熔体流动速率为0.6 g/10 min,比未加改性SF时降低了3.1 g/10 min,说明改性SF的加入使得PP/SF/PP-g-MAH复合材料的熔体流动速率降低。这可能是由于随着改性SF含量的增加,交联度增大,PP大分子链运动单元热运动能力降低,继而减少了PP分子链因温度升高而卷曲的倾向,材料的熔融流动速率降低,黏度增大。

图1 改性SF含量对PP/SF/PP-g-MAH复合材料熔体流动速率的影响Fig.1 Melt flow rate of PP/SF/PP-g-MAH composites with different content of modified SF

2.2 热性能分析

从图2可以看出,随着改性SF含量的增加,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的维卡软化温度逐渐升高,在未加入改性SF的PP/PP-g-MAH复合体系的维卡软化温度为153.2 ℃,当改性SF含量为30 %时,其维卡软化温度为158.3 ℃。这可能是由于SF在进行硅烷偶联剂和碱表面处理后,SF含有的果胶、木质素和半纤维素等杂质被除去,从而提高了复合材料的热性能[8]。SF中的羟基在受热时极易与PP-g-MAH上的酸酐基团反应生成酯键,影响了PP/SF/PP-g-MAH复合材料的维卡软化温度。SF含量的增加使得PP/SF/PP-g-MAH复合材料的刚性增强,PP大分子链的运动单元受到限制,热运动能力下降,黏度增大,导致维卡软化温度升高。

图2 改性SF含量对PP/SF/PP-g-MAH复合材料维卡软化温度的影响Fig.2 Wika softening point of PP/SF/PP-g-MAH composites with different contents of modified SF

2.3 阻燃性能分析

图3 改性SF含量对PP/SF/PP-g-MAH复合材料阻燃性能的影响Fig.3 Combustion performance of PP/SF/PP-g-MAH composites with different contents of modified SF

如图3所示,随着改性SF含量的增加,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的水平燃烧速度呈先增加后趋于平缓的趋势,这说明改性SF含量的增加降低了PP/SF/PP-g-MAH复合材料的热稳定性。因为SF的羟基、PP-g-MAH上的酸酐基团、PP-g-MAH与PP具有相似的链段,使得SF能与PP更好地结合。SF与PP的交联度增大,阻止了氧气扩散到材料内部并使挥发性物质被移除,这就起到了热屏障的作用[9-11]。PP属于易燃材料,SF的体表面积比较小,也非常容易燃烧,且其燃烧速度要比PP快,所以随着改性SF含量的增加,其燃烧速度成增大的趋势,这说明天然纤维复合材料在阻燃和无烟、无毒释放性能上不及一些高性能纤维复合材料,这些缺陷限制了其在航空、铁路和高速公路领域中的使用,但在汽车内饰、建筑与装饰材料以及运动和休闲制品领域具有可拓展的空间[12]。如果在SF改性方面考虑阻燃的性能,在不影响力学性能的情况下,或者在SF的表面处理方法上进行改进,通过阻燃改性后将进一步拓宽了其应用范围。

2.4 力学性能分析

随着改性SF含量的增加,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的拉伸强度和弯曲强度增大,而断裂伸长率和冲击强度则降低,说明经过碱处理后,SF表面产生了大量的空隙,使得偶联剂渗入到纤维内部,从而有效提高了纤维与基体的界面黏接。从断裂伸长率和冲击强度来看,改性SF的加入很大程度直接影响了材料的性能,说明了改性SF的加入对PP/SF/PP-g-MAH复合材料有增强作用。如表2所示,在改性SF含量从5 %增加到20 %时,PP/SF/PP-g-MAH复合材料的断裂伸长率适中,材料硬而强。如图4所示,有缺口试样冲击强度较低,当改性SF含量超过20 %时,其对PP/SF/PP-g-MAH复合材料的影响趋于平缓,这是由于当改性SF含量过高时,PP基体的含量相对降低,影响了受力载体的连续性,导致PP/SF/PP-g-MAH复合材料的韧性降低。

表2 改性SF含量对PP/SF/PP-g-MAH复合材料力学性能的影响Tab.2 Mechamical properties of PP/SF/PP-g-MAH composites with different contents of modified SF

■—无缺口 ○—有缺口图4 改性SF含量对PP/SF/PP-g-MAH复合材料冲击强度的影响Fig.4 Impact strength of PP/SF/PP-g-MAH composites with different contents of modified SF

3 结论

(1)在PP/SF/PP-g-MAH复合材料中,随着改性SF含量的增加,熔体流动速率降低,刚性增大,耐热性能提高;

(2)在PP/SF/PP-g-MAH复合材料中,SF经过碱液和硅烷偶联剂处理后,与PP有着较好的相容性,随着改性SF含量的增加,其燃烧速度加快;

(3)改性SF含量的增加有利于提高PP/SF/PP-g-MAH复合材料的拉伸强度和弯曲强度,但从断裂伸长率和冲击强度来看,SF含量为5 %到20 %时,材料性能较好,材料质地为硬而强。

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