文章信息
- 周吓星, 洪国新, 王明光, 刘镜, 陈礼辉
- ZHOU Xiaxing, HONG Guoxin, WANG Mingguang, LIU Jing, CHEN Lihui
- 竹粉/废旧聚乙烯复合材料的性能
- Properties of bamboo flour/waste polyethylene composites
- 森林与环境学报,2019, 39(2): 208-213.
- Journal of Forest and Environment,2019, 39(2): 208-213.
- http://dx.doi.org/10.13324/j.cnki.jfcf.2019.02.014
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文章历史
- 收稿日期: 2018-05-22
- 修回日期: 2018-06-25
木塑复合材料(wood plastic composites, WPC)是以农林加工剩余物植物纤维和废旧塑料为主要原料,加入适量添加剂,用挤出、模压或注塑法等制成的新型复合材料,是国内外近年蓬勃兴起的一类“低碳、绿色、可循环”环保材料[1]。但是利用废旧塑料制备的WPC存在脆性大、相容性差、抗老化性差、蠕变大等缺点[2],严重限制了其使用领域;国内外学者采用对植物纤维预处理[3]、添加硅烷偶联剂[4]、马来酸酐界面相容剂[5-6]、聚乙烯醇和聚乙烯蜡的共聚物[7]、增韧剂[8-9]等方式提高秸秆粉/废旧聚乙烯(polyethylene,PE)复合材料、木粉/废旧聚乙烯复合材料、秸秆粉/废旧聚丙烯复合材料的力学性能,同时研究了植物纤维种类及粒径对废旧塑料基WPC弯曲性能的影响[10],研究了木粉和塑料基体的质量分数对木粉/废旧聚乙烯复合材料力学性能、热学性能[11]、表面颜色[12]、吸水性能[13]的影响,研究了反复加工利用的废牛皮纸浆纤维/聚烯烃树脂复合材料的流变性能[14]。我国是世界上竹资源最丰富的国家,经过数十亿年物竞天择的优化,竹材在外观形态、组织结构和化学成分等方面独具特色,具有强度高、韧性好、硬度大的物理机械性能,竹纤维的比强度和比模量分别为600 MPa · cm3 · g-1和48~89 GPa · cm3 · g-1,比钢材高出3~4倍,接近玻璃纤维,而价格只有玻璃纤维的1/10,是人造纤维的理想代替品[15],竹纤维增强树脂复合材料是近几年的研究热点[16-19]。竹塑复合材料的生产和应用不仅可以缓解木材资源紧张,还减少工程塑料的应用,减少塑料“白色”污染,加强废弃塑料的综合利用,符合当前倡导的绿色环保理念,符合科学发展观和可持续发展的要求。本研究以竹粉作为增强相,以废旧聚乙烯作为基体,注塑法制备竹粉/废旧聚乙烯复合材料,研究竹粉质量分数对复合材料力学性能、蠕变性能和老化性能的影响,以期为竹塑复合材料的研发和应用提供数据参考。
1 材料与方法 1.1 试验材料竹粉(bamboo flour, BF),150~420 μm,密度为1. 317 g · cm-3,浙江临安市明珠竹木粉有限公司;废旧聚乙烯,福建山里人木塑科技有限公司;马来酸酐接枝聚乙烯(maleic anhydride grafted polyethelene, MAPE),PE-G-1型,南京德巴化工有限公司;润滑剂硬脂酸和硬脂酸钙均为市售。
1.2 试验设备高速混合机,SHR 10A,张家港华明机械有限公司;转矩流变仪,XSS-300,上海科创橡塑机械设备有限公司;强力破碎机,PC-400A,潮州市龙河塑胶有限公司;电热恒温鼓风干燥箱,DHG-9246A,上海精宏实验设备有限公司;塑料注射成型机,HYF 500,宁波海鹰塑料机械有限公司;微机控制电子万能试验机,CMT 6104,深圳市新三思材料检测有限公司;多功能摆锤冲击试验机,ZBC 7000,美特斯工业系统(中国)有限公司;加速老化试验箱,QUV/SPRAY,美国Q-LAB公司。
1.3 竹粉/废旧聚乙烯复合材料的制备将竹粉放入105 ℃烘箱中,干燥10 h至含水率为1%以下。将干燥竹粉、废旧聚乙烯、润滑剂和MAPE放入高速混合机,升温至120 ℃后继续混合10 min制成初混料;将初混料放入转矩流变仪中密炼10 min,密炼温度170 ℃、转速40 r · min-1,待密炼的混合熔融固体冷却至常温后放置强力粉碎机中粉碎5 min,将粉碎后的竹塑粒子放入注塑机中注塑成型。润滑剂(硬脂酸和硬脂酸钙质量比以1:1混合)占复合材料质量的1%,竹粉分别占复合材料质量的0、15%、30%和45%,MAPE占竹粉质量的6%。随着竹粉质量分数增加,试样流变性能变差,所需的注射工艺参数不同,具体见表 1。
竹粉质量分数 Bamboo flour weight percentage/% |
注射温度Injection temperature/℃ | 压力Pressure/MPa | |||||||
一段 Ⅰ |
二段 Ⅱ |
三段 Ⅲ |
储料 Storing |
射一级 InjectionⅠ |
射二级 InjectionⅡ |
保压 Holding |
背压 Back |
||
0 | 165 | 160 | 155 | 4.0 | 5.0 | 4.0 | 4.0 | 5 | |
15 | 170 | 165 | 160 | 4.5 | 5.5 | 4.5 | 4.5 | 5 | |
30 | 170 | 165 | 160 | 5.0 | 6.5 | 5.5 | 5.0 | 5 | |
45 | 175 | 170 | 165 | 6.0 | 8.0 | 7.5 | 5.5 | 5 |
参照GB/T 9341—2008标准[20],测定试样的弯曲强度(modulus of rupture, MOR)和弯曲模量(modulus of elastic, MOE),试样的尺寸为150 mm ×20 mm× 4 mm,加载速率为10 mm · min-1,跨距为64 mm,试验结果为6个试样测试结果的平均值。参照GB/T 1043. 1—2008标准[21],测定试样的缺口冲击强度(notched impact strength,NIS),试样的尺寸为80 mm×10 mm×4 mm,缺口深1. 4 mm,试验结果为8个试样测试结果的平均值。
1.4.2 蠕变性能测试采用万能力学试验机,根据试样的3点弯曲破坏载荷,选取破坏载荷的25%和75%这2种应力水平对材料进行3点弯曲蠕变试验,记录试样产生的挠度。试验机以应力为2 MPa · s-1的速度对试件进行加载,当达到设定载荷后,应力保持恒定,蠕变时间为3 600 s。
1.4.3 加速老化性能测试参照ASTM D 2565—2016[22],将试样放置在氙灯加速老化箱中,黑板温度为60 ℃,箱体内相对湿度为50%。一次加速老化循环设定为:102 min单独氙灯辐照后进行18 min的去离子水喷淋与辐照,试验如此循环往复进行,测试240和480 h后试样的材色和弯曲性能变化。利用PhotoShop软件中的吸管工具对老化前后试样图片中的5个点进行测量明度指数(a*)、红绿指数(a*)和黄蓝指数(b*),得到平均值,然后按照公式(1)计算出样品老化前后的色差值(△E) [23]。
$ \Delta E={{[{{(\Delta {{L}^{*}})}^{2}}+{{(\Delta {{a}^{*}})}^{2}}+{{(\Delta {{b}^{*}})}^{2}}]}^{1/2}} $ | (1) |
不同竹粉质量分数对竹粉/废旧聚乙烯复合材料力学性能的影响见表 2。随着竹粉质量分数增加,试样的密度增大,这是因为根据机械互锁理论,复合材料制备过程中聚合物会以流动、挤压、渗透等方式浸入竹粉纤维表面的孔隙,复合材料体系变得密实[24],尤其是当竹粉质量分数为45%时,复合材料的密度明显增大,这与表 1中注射温度和注射压力的明显增大也有一定关系。由表 2还可知,随着竹粉质量分数增加,试样的弯曲强度和弯曲模量不断增强,且在竹粉质量分数为45%时弯曲性能达到最大值;这与ALMAADEED et al[11]的研究结果一致,其研究发现当木粉质量分数为70%时,热压法制备的回收线性低密度聚乙烯/木粉复合材料的弯曲性能最强。而缺口冲击强度与竹粉质量分数的关系和弯曲性能相反,添加15%竹粉时,试样的缺口冲击强度由20. 45 kJ · m-2降低至15. 27 kJ · m-2,下降了25%,随着竹粉质量分数的继续增加,NIS继续下降,但下降速率变慢。从弯曲和冲击性能来看,复合材料中竹粉的较佳质量分数为30%。竹粉具有较高的机械强度和刚性,适量的竹粉加入到复合体系中可以起到更好的应力传递作用,但是竹粉韧性较低,随着竹粉质量分数的增大,树脂基体吸收冲击能量和变形的能力降低,而且竹粉的分子内氢键会导致其团聚、在基体中的分散性变差,引起材料产生应力集中及缺陷的几率增大,降低复合材料的冲击韧性。
竹粉质量分数 Bamboo flour weight percentage/% |
竹粉/废旧聚乙烯复合材料力学性能Mechanical properties of BF/waste PE composites | |||
密度Density/(g·cm-3) | MOR/MPa | MOE/MPa | NIS/(kJ·m-2) | |
0 | 0.98(0.01) | 19.73(0.37) | 537.76(49.73) | 20.45(1.23) |
15 | 1.01(0.02) | 22.87(0.30) | 856.31(62.23) | 15.27(0.68) |
30 | 1.06(0.01) | 23.36(0.20) | 1 033.61(54.13) | 12.41(0.31) |
45 | 1.15(0.01) | 25.58(1.79) | 1 168.23(53.50) | 11.12(0.38) |
注:()内为各项指标的标准偏差。Note: the content in parentheses is the standard deviation of the test index. |
WPC主要用于建筑领域,木塑板材在使用过程中易发生蠕变变形,而且加载应力和环境因素还会加大其蠕变程度,发生突然的脆性断裂,造成严重的安全隐患。SAIN et al[25]对PVC、PP、PE基的木塑复合材料蠕变性能进行比较,研究发现PE基WPC的抗蠕变性能最差,因此PE基WPC的蠕变性能研究具有十分重要的意义。竹粉/废旧聚乙烯复合材料的弯曲蠕变性能随竹粉质量分数及加载应力的变化如图 1所示。由图 1可见,随着应力水平的增加,试样产生的变形明显增大。25%应力水平时,经历3 600 s蠕变试验后,未添加竹粉的试样产生的挠度为0. 18 mm,而75%应力水平时,试样经历527 s的蠕变就发生脆性断裂,产生的挠度为1. 68 mm。添加适量的竹粉不仅可以增强复合材料的弯曲性能,而且可以提高复合材料的抗蠕变性能。25%应力水平时,竹粉含量为15%、30%和45%的复合材料产生的挠度分别为0. 07、0. 04和0. 03 mm。75%应力水平时,15%竹粉/废旧聚乙烯复合材料经历3 200 s才发生断裂;30%竹粉/废旧聚乙烯复合材料经历3 600 s没有发生断裂,产生的挠度仅0. 59 mm;而竹粉质量分数为45%时,复合材料的抗蠕变性能又开始下降,试样经历1 500 s就发生断裂。由此可见,30%竹粉/废旧聚乙烯复合材料的抗蠕变性能最佳。
2.3 竹粉/废旧聚乙烯复合材料的氙灯加速老化性能在长期使用时,WPC会因为自然环境因素等影响产生老化现象,影响材料的使用情况。人工加速老化试验可以快速评价WPC的老化性能[26]。图 2为对竹粉/废旧聚乙烯复合材料经历氙灯加速老化前后拍摄的图片。如图 2所示,经历480 h老化后,试样表面出现褪色现象,影响了竹塑制品的外观。
通过色差值可以反映老化对复合材料外观的影响以及老化前后试样给人不同的色彩感觉,竹粉/废旧聚乙烯复合材料老化产生的色差见表 3。
竹粉质量分数 Bamboo flour weight percentage/% |
240 h老化后的色差(△E) Color change after 240 h accelerated aging |
480 h老化后的色差(△E) Color change after 480 h accelerated aging |
15 | 18.6 | 27.2 |
30 | 29.7 | 38.1 |
45 | 36.6 | 43.7 |
由表 3可见,15%竹粉/废旧聚乙烯复合材料经历240 h老化后产生的色差为18. 6;随着老化时间延长,试样产生的色差逐渐增大,480 h后试样的△E*为27. 2。竹粉质量分数越多,试样相应老化过程中产生的色差越大。由色差与视觉的关系:△E*>12. 0,人体的视觉感觉为非常大,老化后试样严重变色。结合图 2可知,加速老化导致材料表面明显褪色,严重影响产品外观。废旧聚乙烯的分子量、分子量分布、结晶度、支链等分子结构以及其在复合材料中的组成在很大程度上决定着复合材料耐老化性的优劣;塑料基体PE受到氙灯辐照后会发生光氧化降解,PE分子链发生断裂或处于激发态,断链的自由基和处于不稳定的激发态分子容易发生氧化反应生成氢过氧化物和羰基,进一步促进PE分子的自动氧化反应[27]。随着竹粉质量分数增加,更多的竹粉暴露在试样表面,竹材中的纤维素、半纤维素、木质素、抽提物受到光降解进一步加剧材色变化,尤其是木质素经历光降解会形成羧基、过氧羟基等发色官能团[26]。徐萍等[28]研究发现,在2 000 h氙灯加速老化试验中,PE基WPC产生的△E*随时间延长也是逐渐增大,但所测一半试样的△E*为8~19,一半试样的△E*<4。由此可见,废旧聚乙烯基复合材料的耐色度有待改善。
废旧聚乙烯基复合材料的弯曲性能随加速老化时间的变化如图 3所示。由图 3可见,试样的弯曲强度和弯曲模量随着老化时间延长呈现缓慢下降趋势。240和480 h老化试验后,15%竹粉/废旧聚乙烯复合材料的弯曲强度保留率为90%和85%,弯曲模量保留率为90%和81%。随着竹粉质量分数增加,试样的弯曲性能保留率略微下降,但其最终弯曲性能仍更优。竹粉质量分数为30%和45%时,480 h老化后试样的弯曲强度保留率为85%和83%,弯曲模量保留率为80%和77%。弯曲性能的降低是由于塑料基体分子链发生光降解断裂、试样表面结构发生变化以及材料的界面结合强度下降[26]。
3 讨论与结论竹粉质量分数为0、15%、30%和45%时,随着竹粉质量分数增加,竹粉/废旧聚乙烯复合材料的弯曲性能不断增强,冲击性能逐渐下降,抗弯曲蠕变性能呈先增强后下降的趋势,当竹粉为30%时,复合材料的综合力学性能较优。
氙灯加速老化后,竹粉/废旧聚乙烯复合材料的表面颜色发生变化、弯曲性能下降;随着竹粉质量分数增加、老化时间延长,试样的颜色变化更为明显,经历480 h老化后,复合材料产生的色差为27. 2~43. 7,弯曲强度和弯曲模量的保留率分别为83%~85%和77%~81%。废旧聚乙烯作为基体时,复合材料的力学性能、热稳定性、耐候性能等仍需要进一步改善,尤其当植物纤维含量较高时,复合材料的制备工艺和原料配方仍需进一步优化。
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