MAPE含量对PE木塑复合材料冲击强度的影响

张清锋,吕 群＊,蔡培鑫,来国桥

(1.杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江杭州310036;2.有机硅化学及材料技术教育部重点实验室,浙江杭州310012)

MAPE含量对PE木塑复合材料冲击强度的影响

张清锋1,吕 群1＊,蔡培鑫1,来国桥2

(1.杭州师范大学材料与化学化工学院,浙江杭州310036;2.有机硅化学及材料技术教育部重点实验室,浙江杭州310012)

以高密度聚乙烯(PE-HD)和马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)共混物为塑料基体,以木粉(WF)为填料,采用压制成型法制备了木塑复合材料。研究了MAPE含量对塑料基体和木塑复合材料冲击强度的影响。结果表明,MAPE含量对MAPE/PE-HD塑料基体和木塑复合材料的冲击强度影响显著;保持MAPE和PE-HD的总含量不变时,当木粉含量为30%时,木塑复合材料的冲击强度随MAPE含量的增加而逐渐减小;当木粉含量为70%时,木塑复合材料的冲击强度随MAPE含量的增加而逐渐增大。

马来酸酐接枝聚乙烯;高密度聚乙烯;木塑复合材料;冲击强度

0 前言

木塑复合材料(WPC)是以废弃木材、农作物秸秆等经粉碎而制成的植物纤维粉体和废旧塑料(如聚乙烯、聚丙烯等)作为主要原料,再加入各种助剂,经热压复合或熔融挤出等加工工艺制成的一种新型复合材料,其产品用途广泛、使用寿命较长,是木材的良好替代品[1]。研究和开发木塑复合材料对于农林废弃物和废旧塑料的综合利用、缓解天然木材紧张的压力具有重要的意义,近年来木塑复合材料受到了广泛的关注。

由于植物纤维是多羟基的极性物质,而聚乙烯是非极性物质,因此,它们之间难以相容,必须加入相容剂来改善界面相容性[2-5]。MAPE是广泛应用于聚乙烯木塑复合材料的优良相容剂。目前,人们普遍认同相容剂MAPE可以显著提高木塑复合材料的拉伸强度和弯曲强度,但是,其对木塑复合材料冲击强度的影响规律还不十分清楚,认识尚不统一。Mohanty等[6]研究认为随着MAPE含量增加,木塑复合材料的冲击强度有升高的现象;Wang等[7]的研究认为随着MAPE含量增加,木塑复合材料的冲击强度变化不大,但没有出现增大的迹象;而Li等[8]的研究则认为随着MAPE含量增加,可明显观察到木塑复合材料的冲击强度逐渐降低;另外,现有的研究报道中,MAPE含量通常都较少,一般不超过10%,因此,这些研究都只观察到了较小范围的MAPE含量对木塑复合材料冲击强度的影响规律,而没有观察到MAPE逐渐替代全部PE-HD过程中对木塑复合材料冲击强度的影响。总之,MAPE对木塑复合材料的冲击强度影响规律目前尚不太清楚,因此有必要进行进一步的研究,这对于木塑复合材料新产品的研究与开发具有重要的意义[9]。

本文以废旧PE-HD与马来酸酐进行接枝反应制得MAPE,以 PE-HD和MAPE的共混物作为塑料基体,以木粉为填料,在保持配方中塑料基体总含量不变的条件下,研究了MAPE逐渐替代塑料基体中PE-HD时,塑料基体和木塑复合材料的冲击强度的变化规律;然后改变木粉含量和塑料基体含量进行重复研究,目的在于全面地了解MAPE含量对木塑复合材料冲击强度的影响规律。

1 实验部分

1.1 主要原料

杨木粉,250μm,浙江省临安明珠竹木粉厂;

废旧PE-HD,安徽森泰塑木新材料有限公司;

MAPE,接枝率 0.5%,自制 。

1.2 主要设备及仪器

高速混合机,SRL-Z10,江苏联冠科技有限公司;

平行双螺杆挤出机,SHJ-36,南京杰恩特机电有限公司;

平板硫化机,QLB2D0125MN,上海第一橡胶机械厂;

简支梁冲击试验仪,XJJ-5,承德大华试验机有限公司;

扫描电子显微镜(SEM),S-3000,日本日立株式会社。

1.3 试样制备

称取一定量的PE-HD和MAPE,在高速混合机中混匀,加入平行双螺杆挤出机中进行造粒,温度为160、170、170、170 ℃,螺杆转速 120 r/min,制得 PE-HD/MAPE共混物颗粒。称取一定量的干木粉、共混物颗粒放入高速混合机混合均匀,用平行双螺杆挤出机挤出塑化并造粒 ,温度分别为 155、160、160、160 ℃,螺杆转速为180 r/min,然后用平板硫化机压制成型,温度为165℃,压力为10 MPa,热压时间为3 min,制得木塑复合材料,配方如表1所示。

表1 木塑复合材料的配方Tab.1 Composition of WPC

1.4 性能测试与结构表征

按GB/T 1043—1993采用简支梁冲击试验机测定塑料基体的V形缺口冲击强度和WPC的无缺口冲击强度,测定15次取平均值;

将WPC试样切成5 mm×10 mm×10 mm的长方形样条,在鼓风干燥箱中于105℃干燥24 h,以消除WPC试样内残留的水分。将干燥过的样条经冲击折断和断面真空镀金后,采用SEM进行观察。

2 结果与讨论

2.1 MAPE含量对塑料基体冲击强度的影响

从图1可以看出,随着MAPE含量的增加,塑料基体的缺口冲击强度急剧下降,当MAPE含量从40%增加到 100 %时,冲击强度从 38 kJ/m2减小到16 kJ/m2。这是因为MAPE中含有MAH极性官能团,柔顺性远不如 PE-HD,因此,随着MAPE含量的增加,塑料基体的韧性变差,冲击强度不断下降。

图1 MAPE含量对PE-HD/MAPE共混物冲击强度的影响Fig.1 Effect of MAPE contents on the impact strength of PE-HD/MAPE blends

2.2 MAPE含量对WPC冲击强度的影响

从图2(a)可以看出,木粉含量为 30%时,随着MAPE含量的增加,WPC的无缺口冲击强度逐渐降低,当塑料基体中 MAPE含量从0变为100%时,WPC的无缺口冲击强度从 43.4 kJ/m2下降到18.8 kJ/m2,下降了57%,降低幅度较大。从理论上分析,塑料基体中MAPE含量对冲击强度具有双重影响,一方面,MAPE中含有MAH极性官能团,柔顺性远不如 PE-HD,因此,随着MAPE含量的增加,塑料基体的韧性变差,这一因素使WPC的冲击强度降低;但另一方面,随着MAPE含量增加,木粉/塑料界面的相互作用增强,这一因素使 WPC的冲击强度升高。WPC的冲击强度是这2个因素共同作用的结果。显然,在木粉含量较低时,前一因素起主导作用,因此,随着MAPE含量的增大,WPC的冲击强度逐渐降低。

从图2(b)可以看出,在 50%木粉含量下,随着MAPE含量的增加,WPC的无缺口冲击强度先减小后增大。这是因为MAPE含量较小时,木/塑界面相容性有限,前一因素(塑料基体强度)对木塑复合材料冲击强度的影响占主导地位,因此木塑复合材料的冲击强度随着MAPE含量的增加而降低;当MAPE的含量较大时,木/塑界面相容性大大增强,后一因素(界面相容性的影响)超过前一因素而占据主导地位,因此木塑复合材料的冲击强度随着MAPE含量的增加而增大。显然,在50%木粉含量下,这2个因素都起着显著的作用,因此随着MAPE含量的增加,WPC的冲击强度先减小后增大。

从图 2(c)可以看出,70%木粉含量下,随着MAPE含量的增加,WPC的无缺口冲击强度逐渐增大,没有出现任何降低的迹象,当塑料基体中 MAPE含量从 0变为 100 %时,WPC的冲击强度从3.1 kJ/m2增大到13.3 kJ/m2,增加了 3.3倍,增加幅度很大。这是因为随着MAPE含量增加,木粉/塑料界面的相互作用增强,冲击强度不断增大。

图2 MAPE含量对WPC冲击强度的影响Fig.2 Effect of MAPE contents on the impact strength of WPC

2.3 SEM分析

图3和图4分别是MAPE和MAPE/木粉(100/30)的冲击断面SEM照片。从图3和图4可以看出,二者冲击断面形态十分相似,木粉含量30%的WPC冲击断面上纤维含量很少,绝大多数是塑料基体,这表明木粉含量较低时,WPC的冲击强度主要取决于塑料基体。这一分析结果与上述理论分析和冲击强度的测定结果一致。

图3 MAPE的冲击断面SEM照片Fig.3 SEM micrograph for the impact fracture surface of MAPE

图4 MAPE/木粉复合材料的冲击断面SEM照片Fig.4 SEM micrograph for the impact frature surface of MAPE/wood flour composites

从图5可以看出,塑料基体中不含MAPE的木塑复合材料断面处的纤维清晰可辨,有较多的纤维从塑料基体中被拔出,孔洞明显,表明木/塑界面相容性不佳,界面结合力弱,因此,其冲击强度低。塑料基体为MAPE的木塑复合材料断面处的大量纤维均覆盖有塑料,裸露的纤维很少,木/塑界面模糊,表明结合比较紧密,界面相容性好,因此其冲击强度高。说明在木粉含量较高的情况下,MAPE的加入改善了木/塑界面相容性,使木纤维对WPC的增强作用表现得十分显著。

图5 木粉含量为70%时木塑复合材料的冲击断面SEM照片Fig.5 SEM micrographs for the impact fracture surface of WPC with 70%wood flour

3 结论

(1)在 MAPE/PE-HD共混形成的塑料基体中,MAPE含量对塑料基体的缺口冲击强度影响显著,随着MAPE含量的增加,塑料基体的冲击强度迅速下降;

(2)MAPE含量对WPC冲击强度的影响规律与木粉含量有关。在木粉含量为30%时,WPC的冲击强度随MAPE含量的增加而逐渐下降;在木粉含量为50%时,WPC的冲击强度随MAPE含量的增加先减小后逐渐增大,但变化值不大;当木粉含量为70%时,WPC的冲击强度随MAPE的含量增加逐渐增大;

(3)塑料基体中含有MAPE的木塑复合材料具有较好的界面相容性,表明MAPE可以促进木粉与塑料的相容。

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Effect of MAPE Contents on Impact Strength of WPC Based on PE

ZHAN G Qingfeng1,LÜQun1＊,CAI Peixin1,LAI Guoqiao2
(1.College of Materials,Chemistry and Chemical Engineering,Hangzhou Normal University,Hangzhou 310036,China;2.Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology of Education Ministry,Hangzhou 310012,China)

The wood-plastics composites(WPC)were prepared via compression molding using a blend of high density polyethylene(PE-HD)and maleic anhydride grafted polyethylene(MAPE)as the matrix and wood flour as filler.The effects of the contents of MAPE on the impact strength of the matrix and WPC were investigated.It was shown that the change of MAPE contents had significant influence on the impact strength of the matrix and WPC.When the contents of wood flour was 30%,the impact strength of WPC decreased with increasing MAPE contents;whereas at 70 %of wood flour loading,the impact strength of WPC increased with increasing MAPE contents.

maleic anhydride grafted polyethylene;high density polyethylene;wood-plastics composite;impact strength

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)07-0060-04

2010-03-11

浙江省重大科技专项(优先主题)(2008C13G2150004)、杭州市科技计划项目(20081533F04)

＊联系人,luqun@263.net