稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉复合材料性能研究

吕怀兴 涂重丹

摘 要 研究了稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉的不同配方组成对其复合材料吸水性、拉伸性能、弯曲性能及冲击性能的影响；另外也研究了在稻壳粉的添加量为30%，塑料/橡胶粉的占比为6/4的配方组成条件下，讨论不同偶联剂（Si69、SZ11及M603）对复合材料冲击性能的影响。结果表明，稻壳粉的添加可提高复合材料刚性，橡胶粉量的添加可以提高复合材料韧性；M603对提高稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉复合材料基体的相容性效果突出。

关键词 稻壳粉；再生HDPE；橡胶粉；复合材料

稻壳粉来源于水稻生产的剩余物，我国是水稻生产大国，稻壳来源丰富[1-2]。橡胶粉来源于汽车的废旧轮胎，其制备工艺简单、价格低廉[3]。通过将稻壳粉、再生HDPE粒子及橡胶粉制备得到复合材料，一方面解决稻壳粉和橡胶粉回收利用问题，另一方面，充分利用其本身的特性可以制备出功能性得到改良的复合材料[4-5]。在稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉三元复合材料中，三相单元所起作用不同；其中，稻壳粉相当于“骨架”，起到支撑作用，再生HDPE基体相当于复合材料中的“胶黏剂”成分，将三相材料结合在一起，橡胶粉则起到增韧的作用，因此三者的配比不同将对材料的力学强度、界面结合等产生较大的影响[6-8]。

1 实验部分

1.1 实验原料

再生HDPE（高密度聚乙烯）粒子，回收废旧日用中空容器，熔体流动速率0.8g/10min；稻壳粉，60～100目，市售；橡胶粉，60目，黑色粉末；润滑剂，复合型润滑剂（STR-530），上海光裕化工有限公司，白色粉末；偶联剂，硅烷偶联剂（Si69），双[（三乙基硅烷）-丙基]四硫化物，南京曙光化工集团公司，淡黄色液体；马来酸酐接枝聚乙烯（SZ11），黄山贝诺科技有限公司，接枝率0.6-1.2%，白色颗粒；类马来酸酐单体与乙烯的无规共聚物（M603），美国杜邦公司，白色颗粒。

1.2 实验设备及仪器

平行双螺杆挤出机，CTE20，上海科创橡塑机械设备有限公司；5L高速搅拌机；微机电子控制万能机，CMT5504，美斯特工业系统（中国）有限公司；液晶控制摆锤冲击试验机，ZBC1251-C，美斯特工业系统（中国）有限公司；注塑成型机，EM80-V，震雄塑料有限公司；电子天平，AL204/01，湖北友德测控技术有限公司。

1.3 试样的制备

将稻壳粉和橡胶粉于100℃真空烘箱中烘干24h，至其含水率到0.5%以下，待用。按量称取各配置物料，经高速均混，逐次投料进行混炼、匀化和挤出造粒；其中螺杆转速 30r/min，喂料速度为7.2 r/min；挤出机喂料区温度设置为 165℃，塑化和匀化区温度为 175℃。造粒粒子注塑成型，得到测试用的拉伸样条、弯曲样条及冲击样条；其中样条尺寸分别为150mm×10mm×4mm（哑铃型）、80mm×10mm×4mm及80mm×10mm×4mm（有缺口）。

2 结果与讨论

2.1 稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉复合材料配比对其性能影响

通过控制稻壳粉+再生HDPE+橡胶粉的份数为100份，改变稻壳粉的添加比例和再生HDPE与橡胶粉的占比，进行配方实验；其中固定每组配方中偶联剂（SZ11）的添加量为占稻壳粉含量的5%，润滑剂（STR-530）为占稻壳粉、再生HDPE、橡胶粉三者总量的2%。具体各配方组成如表1所示。

从图1分析可得，在固定稻壳粉添加量的条件下，随着再生HDPE/橡胶粉中橡胶粉占比的增加，试样的吸水率均得到提高；在固定再生HDPE/橡胶粉占比的条件下，随着稻壳粉添加量的增加，试样的吸水率也均得到提高。其中的原因可能是，稻壳粉的吸水性能好和橡胶粉量的增多，造成稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉基体的连续性和均质性变差[4]。

（2）力学性能影响

从图2可以得出，在固定稻壳粉添加量的条件下，随着再生HDPE/橡胶粉中橡胶粉占比的增加，拉伸样条的拉伸强度均得到降低；在固定再生HDPE/橡胶粉占比的条件下，随着稻壳粉添加量的增加，拉伸样条的拉伸强度均得到提高。其中的原因可能是，稻壳粉含量的增加，其可以在再生HDPE基体中很好的分散，并形成连续相；另外稻壳粉的加入也可以在基体材料中起着刚性填充的作用[5-7]。

从图5分析可得，在固定稻壳粉添加量的条件下，随着再生HDPE/橡胶粉中橡胶粉占比的增加，试样的冲击强度均得到提高；在固定再生HDPE/橡胶粉占比的条件下，随着稻壳粉添加量的增加，试样的冲击强度均得到降低。结果表明：稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉复合材料中稻壳粉含量的增加，可以提高试样的刚性；橡胶粉含量的增加可以提高试样的韧性[8]。

2.2 偶联剂对复合材料力学性能影响

结合2.1节内容，稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉的复合材料配比对其性能影响的测试结果，选定复合材料各项性能较折中的组成配比组成；其中稻壳粉的添加量为30%，再生HDPE/废橡胶粉的占比为6/4，添加不同种类的偶联剂，研究不同种类的偶联剂添加量对复合材料力学性能影响。

从图6的测试结果所示：在选用Si69作为偶联剂时，试样的冲击强度随着偶联剂添加量的增加而增加；但当Si69的添加量达到10%时，再继续增加Si69的添加量，其对试样的冲击强度影响较小。故分析得出在此配方组成中最适的Si69添加量为10%。另外分別添加偶联剂SZ11和M603时，得到其最适的添加量分别为5%及2%。由于偶联剂的加入可提高稻壳粉/再生HDPE料/橡胶粉的复合材料相与相间的相容性，提高基体的致密性，故使得到的复合材料具有较优的冲击强度；此外，偶联剂的作用效果从好到差依次为：M603、SZ11、Si69。马来酸酐类偶联剂（M603和SZ11）的作用效果优于硅烷类偶联剂（Si69），类马来酸酐无规共聚乙烯型偶联剂（M603）由于分子链上的类马来酸酐基团更多，故其偶联效果也要优于马来酸酐接枝聚乙烯型偶联剂（SZ11）。

3 结束语

稻壳粉/再生HDPE/橡胶粉的复合材料中，在固定稻壳粉添加量的条件下，随着再生HDPE/橡胶粉中橡胶粉占比的增加，试样的吸水率和冲击强度随之均得到提高，试样的拉伸强度和弯曲强度（模量）随之均得到降低；在固定再生HDPE/橡胶粉占比的条件下，随着稻壳粉添加量的增加，试样的吸水率、拉伸强度及弯曲强度（模量）均得到提高，试样的和冲击强度随之均得到降低。

另外在稻壳粉的添加量为30%，再生HDPE/橡胶粉的占比为6/4的配方组成中，最适的Si69、SZ11及M603添加量分别为10%、5%及2%；偶联剂的作用效果从好到差依次为：M603、SZ11、Si69。

参考文獻

[1] 彭思来，蔡红珍，柏雪源，等.稻壳粉/聚乙烯复合材料性能研究[J].林产工业，2007，34（1）：24-26.

[2] 何春霞，薛盘芳，顾红艳.稻壳粉/PP复合材料的力学性能[J].高分子材料科学与工程，2010，26（1）：62-65.

[3] 靳玲，谢孝建，李瑞海.橡胶粉的表面接枝改性及其表征[J].合成橡胶工业，2007，30（4）：290-293.

[4] 陈玲.木橡塑三元复合材料的制备及性能研究[D].南京：南京林业大学，2015.

[5] 孙妍，陈玲，徐信武，等.木粉/废旧橡胶粉/HDPE三元复合材料的微孔结构及拉伸性能[J].东北林业大学学报，2016，44（2）：65-74.

[6] 赵光贤.橡胶再生资源的开发和利用[J].橡胶工业，2005，（52）：632-636.

[7] Adel Ramezani Kakroodi，Yasamin Kazemi，Denis Rodrigue. Mechanical， rheological， morphological and water absorption properties of maleated polyethylene/hemp composites： Effect of ground tire rubber addition [J]. Composites：Part B Engineering，2013，（51）：337-344.

[8] Luo Jianlin，Li Qiuyi，Shang Huaishuai，Gao Song. Mechanical and damping properties of wood plastic composite modified by ground wasted rubber tire[J]. Plastics and Recycling Technology，2017， 33（3）：127-138.