ABS基植物纤维复合材料性能研究

周春兵 方 勇

(无锡霓达美峰橡胶制品制造有限公司，江苏 无锡 214000)

ABS基木塑复合材料是近年发展起来的一种新型高性能材料，相较于以往木塑复合材料，具有更强的刚性，尺寸稳定性，能够适应结构要求更高的加工领域。但是ABS基木塑复合材料很难加工，主要因为其热熔体的黏度高，导致转矩高(转矩值很容易达到最大扭矩的80%)、口模压力波动大、熔体严重破坏(尤其在木纤维含量高时，如重量分数达到50%时)、挤出不稳定。另外木粉在高温下容易炭化，填充剂也容易分解，导致ABS基木塑复合材料难以加工[1-5]。

1 实验部分

1.1 原材料

表1 实验原材料

1.2 实验设备与仪器

表2 实验设备与仪器

1.3 实验配方

表3 实验配方

1.4 实验工艺流程

图1为本研究实验工艺流程图。

图1 实验工艺流程图

原料处理：因ABS、秸秆粉均是极性较强材料，易吸水，成型前需干燥。条件为100 ℃，干燥4 h。为避免干燥过程中材料老化，选用抽真空干燥箱。

高速混合：为保证物料混合效果，物料称取后，利用高速混合机，1 250转/分混合5 min出料。

流变仪制样：在220 ℃温度下，采用不同螺杆转速制样。

1.5 性能测试

转矩流变性能测试：温度设置220 ℃，分别在转子转速30 r/min、40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min、80 r/min情况下，测试复合材料转矩变化。

密度测定：GB/T 4472—2011。

变色观察：拍照观察。

2 结果与讨论

2.1 ABS/植物纤维(WPC)流变性能分析

在220 ℃条件下，利用转矩流变仪，考察不同转速对WPC材料转矩流变性能影响。

2.1.1 ABS/玉米秸秆粉复合材料流变性能

图2为不同螺杆转速下，ABS/玉米秸秆粉复合材料转矩流变曲线图，考察流变仪转速对复合材料流变性能的影响。六种转速下的扭矩随时间的变化趋势一致，均是迅速增大到一个最大值(最大扭矩)，然后下降后逐渐平稳(平衡扭矩)；6种转速下复合材料前期曲线重合，表明扭矩达到最大值的时间基本一致，在8～9秒之间；最大扭矩值大小不等，随着转速的提高，最大扭矩值呈上升趋势，数据表明复合材料对剪切不敏感，不属于切敏性材料；

塑化时间定义为复合材料扭矩不再变化的起始时间。由图2可知，随着螺杆转速的提高，复合材料塑化时间是逐渐减少的。随着螺杆转速的提高，螺杆分散打乱玉米秸秆粉在树脂集体中的分布效果提高，因素塑化时间减少，但扭矩偏高，功率消耗较大。

图2 ABS/玉米秸秆粉流变曲线图

2.1.2 ABS/小麦秸秆粉复合材料流变性能

图3为不同转速下ABS/小麦秸秆粉复合材料转矩流变曲线图。由图3可以看出，6种转速下，复合材料到达最大转速的时间基本一致，在8～9秒之间。与玉米秸秆粉不同的是，随着转速的提高，复合材料最大扭矩先减小再提高，50 r/min条件下复合材料最大扭矩最小，表明ABS/小麦秸秆粉复合材料对剪切敏感，可以通过提高螺杆转速来提高其加工性能。随着螺杆转速的提高，复合材料塑化时间减少。

图3 ABS/小麦秸秆粉流变曲线图

2.1.3 ABS/大豆秸秆粉复合材料流变性能

图4为不同转速下，ABS/大豆秸秆粉复合材料转矩流变曲线图。数据表明，ABS/大豆秸秆粉复合材料也属于切敏性材料，随着螺杆转速的提高，复合材料流动性变好，在50 r/min转速下，最大扭矩最小为16.9 N·m。

图4 ABS/大豆秸秆粉流变曲线图

2.1.4 ABS/油菜秸秆粉复合材料流变性能

图5为不同转速下，ABS/油菜秸秆粉复合材料转矩流变曲线图。由图可知，随着转速的提高，ABS/油菜秸秆粉复合材料最大扭矩及平衡扭矩均不断增大，复合材料对剪切不敏感，复合材料塑化时间随着转速提高变小。

图5 ABS/油菜秸秆粉流变曲线图

2.1.5 ABS/木粉秆粉复合材料流变性能

图6为不同转速下，ABS/木粉复合材料转矩流变曲线图。由图6可知，复合材料平衡扭矩随着螺杆转速增加而逐渐升高，复合材料对剪切不敏感。高转速缩短了复合材料塑化时间，但因转矩升高带来较高的能耗。

图6 ABS/木粉流变曲线图

2.1.6 ABS/水稻秸秆粉复合材料流变性能

图7为不同转速下，ABS/水稻秸秆粉复合材料转矩流变曲线图。由图7可知，螺杆转速为40 r/min时，复合材料平衡扭矩最小，为7.8 N·m，其余转速下平衡扭矩相差不大，复合材料具有一定切敏性。随着螺杆转速提高，复合材料塑化时间减小。

图7 ABS/水稻秸秆粉流变曲线图

2.1.7 ABS/植物纤维复合材料平衡扭矩比较

表4为螺杆50 r/min转速下，6种复合材料平衡扭矩比较。数据表明，在流变仪螺杆转速50 r/min情况下，5种秸秆粉制备的复合材料平衡扭矩均小于木粉，说明秸秆粉的加工性能优于木粉，其中ABS/小麦秸秆粉平衡扭矩最小为9.4 N·m。

表4 六种ABS/植物纤维复合材料平衡扭矩(螺杆50 r/min)

2.2 ABS/植物纤维复合材料密度比较

表5为螺杆50 r/min转速下，6种复合材料密度比较。数据表明，在流变仪螺杆转速50 r/min情况下，5种秸秆粉制备的复合材料密度均大于木粉，说明秸秆粉制备的复合材料密实性均优于木粉，更有利于制备高性能木塑复合材料。

表5 六种ABS/植物纤维复合材料密度(螺杆50 r/min)

2.3 ABS/植物纤维复合材料热稳定比较

6种植物纤维在干燥过后，表观颜色均呈淡黄色，色泽差别不大。在220 ℃工艺条件下，分别制备了ABS/植物纤维复合材料。通过颜色比对，发现除小麦秸秆粉外，其余5种复合材料均呈现黑色。图8展示了，小麦秸秆粉与木粉加工制备复合材料前后的颜色对比情况。复合材料颜色变黑，说明在220 ℃条件下，5种植物纤维发生了碳化现象，而小麦秸秆粉具有更高的耐热温度，可以直接与ABS并用制备复合材料，其余植物纤维需要添加加工改性剂来解决植物纤维高温碳化问题。

图8 小麦秸秆粉、木粉制备复合材料前后颜色比较

3 结论

(1) 随着螺杆转速不断提高，ABS/植物纤维塑化时间减少，高螺杆转速有利于复合材料塑化。

(2) 小麦、大豆、水稻3种秸秆粉制备的复合材料，随螺杆转速提高，平衡扭矩先升高再降低，属切敏性材料，其余3种均逐渐升高，不具备切敏性特点。

(3) 小麦、大豆、水稻、油菜、玉米5种秸秆粉与ABS制备的复合材料其平衡扭矩均优于木粉，其加工流动性能更佳，其中小麦秸秆粉制备的复合材料平衡扭矩最低，为9.4 N·m。

(4) 220 ℃加工条件下，小麦秸秆粉制备的复合材料未变黑，可直接与ABS并用制备复合材料。