蔗渣纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能研究

杜赵喆，金 敏，戴月萍，殷丽萍，沈钰程，李延军*

（1.浙江农林大学工程学院，浙江 临安 311300；2.浙江大庄实业集团有限公司，浙江 杭州 311251）

聚丙烯 (C3H6)n是一种常见的热塑性聚合物，具有较宽广的应用领域，包括包装、纺织、塑料零件、实验室设备，特别是在汽车零部件的应用[1～2]。

甘蔗渣是一种制糖厂中甘蔗茎经过蔗糖提取后留下的纤维剩余材料，包含46.0%纤维素、24.5%半纤维素、19.95%木质素、脂肪、3.5%蜡状物、2.4%灰分、2.0%二氧化硅和其他元素[3]，与其他农作物剩余物相比，甘蔗渣因具有高产量和每年可再生能力而被认为是一种丰富的自然资源[4]，收割之后的这些农作物剩余物大部分被焚烧处理，这不但导致了严重的环境问题，同时也浪费了宝贵的资源，蔗渣纤维作为增强体为PP基复合材料的应用提供了积极的环境效益，促进了废弃物的综合利用。

本文的主要目标是研究蔗渣纤维和偶联剂对聚丙烯复合材料的静态和动态力学性能的影响，探究蔗渣纤维/PP复合材料的玻璃化转变温度。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

选用回收的聚丙烯塑料（PP）作为基体材料，熔融指数4.8 g/10 min，密度0.91 g/cm3，熔点温度166℃，热变形温度50 ～ 63℃。

蔗渣纤维的化学组分见表1[5]。蔗渣纤维由美国路易斯安那州制糖厂提供。将蔗渣纤维在 95℃烘箱中烘 24 h，然后用Thomas-Wiley研磨机（3383L10，Swedesboro，纽约）研磨至20目。

表1 蔗渣纤维的化学成分Table1 Chemical composition of bagasse fiber%

MAPP（Epolene G3003）添加量为蔗渣纤维重量的2%。

1.2 复合材料的制备

通过注射成型法生产蔗渣纤维增强聚丙烯复合材料，用一台相互啮合、反向旋转的Brabender双螺杆挤出机（Brabender 仪器公司，美国纽约哈肯萨克市）将70%PP、30%蔗渣纤维和2%MAPP热熔混合，螺杆转速为48 n/min（其中PP/蔗渣复合材料为50 n/min）。模具的喷嘴和枪管的温度分别为199℃和38℃。将所有混合的混料加工成标准试件，以便力学测试。

1.3 试验方法

1.3.1 静态力学性能 在万能力学试验机上测试复合材料的静态力学性能，包括抗拉强度和模量，抗弯强度和模量，抗冲击强度。抗拉强度根据美国标准ASTM D638-2010进行测试；抗弯强度根据ASTM D790-2003进行测试；冲击强度根据ASTM D256进行测试。

1.3.2 动态力学分析 使用一台动态力学分析仪（DMA Q800, TA Instruments, and New Castle, DE, USA）测量复合材料的动态力学特性。采用双悬臂梁模式，频率为1Hz，液氮氛围，振幅为15µm，升温速率为1℃/min。试件尺寸为35 mm×12.7 mm×3.2 mm（长×宽×厚）。DMA实验扫描温度范围为室温到160℃。

2 结果与讨论

2.1 静态力学特性

蔗渣纤维增强PP复合材料的静态力学性能见表2。根据蔗渣纤维和偶联剂的添加与否研究了蔗渣纤维/PP复合材料的抗拉、抗弯强度及其模量和冲击韧性。通常，与纯PP相比，添加了蔗渣纤维的复合材料的抗拉强度稍微下降，抗弯强度有较小的增加，冲击强度也少量上升。同时，抗拉弹性模量显著增加（是PP的5.3倍），抗弯模量则显著减小（下降了38.6%）。

表2 蔗渣纤维/PP复合材料的静态力学特性Table2 Static mechanical properties of bagasse fiber reinforced PP composites (PP as control)

MAPP是一种众所周知的并被广泛应用的接枝聚合物，在复合材料中用作偶联剂来提高纤维和PP之间的相容性[6]。结果表明，随着2%MAPP的加入，蔗渣纤维/PP复合材料的抗拉强度和抗弯强度都明显增强，其中抗弯强度增加了51.3%。总之，随着MAPP偶联剂的加入，蔗渣纤维/PP复合材料的力学性能都呈现增加的趋势。

2.2 动态力学特性

动态力学分析一直是一个了解聚合物复合材料界面特性的有用的工具[7]。DMA测试是指在周期性正弦形变力的作用下观察样品随时间和温度变化的形变特性[8]。并且可以分析较宽范围的温度，从而获知熔融聚合物系统的粘弹性行为，特别是在蔗渣纤维增强聚合物复合材料的玻璃化转变现象。随温度变化的动态力学特性，例如，储能模量E’、损耗模量E”和能量损耗因子tanδ，为深入了解聚合物基和纤维增强材料之间的交互作用提供了帮助。

储能模量是指复合材料在弹性变形过程中储存的能量，代表弹性部分。储能模量越高，复合材料硬度越大。蔗渣纤维/PP复合材料的储能模量见图1。由图1可知，蔗渣纤维/PP基复合材料的储能模量随着测试温度的升高而下降。表明温度越高，复合材料的硬度下降，更容易变形。添加了蔗渣纤维之后的PP/蔗渣复合材料的储能模量明显大于纯PP塑料，该复合材料的最大储能模量的值为3 124 MPa。在73 ～ 77℃时，储能模量下降最快，之后逐渐变缓。这主要是由于73 ～ 77℃达到了PP基体的热变形温度，但还远不及蔗渣纤维的热稳定温度。

图1 蔗渣纤维/PP复合材料的储能模量Figure1 Storage modulus of bagasse fiber/PP composites

图2 蔗渣纤维/PP复合材料的损耗模量Figure2 Loss Modulus of bagasse fiber/PP composites

损耗模量是指热变形过程中损耗的能量，代表粘性部分。蔗渣纤维复合材料的损耗模量如图2。从图2可知，随着温度的上升，损耗模量的曲线先是缓慢增加，然后快速下降。PP/蔗渣复合材料的损耗模量明显高于纯 PP塑料，在 61.8℃出现了一个损耗模量的峰值。峰值温度Tp（表3）就是复合材料的玻璃化转变温度Tg。

Tanδ，也叫损耗因子，是指损耗模量与储能模量的比值（E’’/E’）。图3是蔗渣纤维/PP复合材料的损耗因子随温度变化的函数图像。从图2可知，随着温度的上升，复合材料的损耗因子总体呈增加趋势。PP塑料的损耗因子高于 PP/蔗渣复合材料的损耗因子。在70～ 130℃时，损耗因子上升缓慢，130℃之后快速增加。

图3 蔗渣纤维/PP复合材料的损耗因子Figure3 Tan δ of bagasse fiber/PP composites

表3 蔗渣纤维/PP复合材料的DMA性能参数Table3 DMA parameters of bagasse fiber/PP composites

3 结论

（1）与纯PP相比，随着蔗渣纤维的加入，复合材料的静态力学强度有所提高，抗拉强度除外。并且拉伸模量急剧增加（是纯PP的5.3倍），但弯曲模量下降显著，下降了38.6%。

（2）随着2%MAPP的加入，蔗渣纤维/PP复合材料的力学性能明显增加。

（3）随着测试温度的增加，复合材料的储能模量降低。在73 ～ 77℃时下降较快，之后逐渐变缓。

（4）添加蔗渣纤维之后的复合材料的储能模量和损耗模量增加，而损耗因子降低。蔗渣纤维/PP复合材料的玻璃化转变温度Tg为61.8℃。

[1]Kum C K, Sung Y T, Kim Y S,et al.Effects of Compatibilizer on Mechanical, Morphological, and Rheological Properties of Polypropylene/Poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) Blends[J].Macromol Res, 2007, 15（4）：308－314.

[2]Holbery J, Houston D.Natural-Fiber-Reinforced Polymer Composites in Automotive Applications[J].Low-Cost Compos Vehicle Manuf, 2006（11）：80－86.

[3]Anding, R G.The microbial generation of methane from alkali treated bagasse[D].Baton Rouge: Louisiana State University, 1978.

[4]Pandey A, Soccol C R, Nigam P,et al.Biotechnological potential of agro-industrial residues.I: sugarcane bagasse[J].Bioresour Technol, 2000（74）：69－80.

[5]Y ao F, Wu Q L, Lei Y,et al.Thermal decomposition kinetics of natural fibers: Activation energy with dynamic thermogravimetric analysis[J].Polym Degrad Stab, 2008（93）：90－98.

[6]Bledzki A K, Faruk O.Wood Fibre Reinforced Polypropylene Composites: Effect of Fibre Geometry and Coupling Agent on Physico-Mechanical Properties[J].ApplCompos Mater, 2003（10）：365－379.

[7]Han Y H, Han S O, Cho D,et al.Dynamic Mechanical Properties of Natual Fiber/Polymer Biocomosites: The Effect of Fiber Treatment with Elerctron Beam[J].Macromol Res, 2008, 16（3）：253－260.

[8]Guo C G, Song Y M, Wang Q W,et al.Dynamic-mechanical analysis and SEM morphology of wood flour/polypropylene composites[J].J For Res, 2006, 17（4）：315－318.