HDPEgMAH增容HDPE木粉复合材料的制备及加工设.docx
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HDPEgMAH增容HDPE木粉复合材料的制备及加工设
成型加工与理论
HDPE2g2MAH增容HDPE/木粉复合材料的制备
及加工设备的研究
3
宋国君,王海龙,王 立,李培耀,亓 峰,谷 正
（青岛大学高分子材料研究所,山东,青岛 266071
摘要:
使用HDPE2g2MAH做增容剂,通过双螺杆挤出机制备了HDPE/木粉复合材料,对HDPE2g2
MAH进行量变实验,通过力学性能测试确定了最佳用量,并利用SEM对材料微观形貌进行了观察。
在此基础上又采用单螺杆挤出机、开炼机和密炼机等不同的加工设备分别制备了木塑复合材料,对力学性能进行了对比表征。
结果表明:
HDPE2g2MAH的加入很好地改善了木塑复合材料的界面相容性、力学
性能和木粉的分散性,HDPE2g2MAH的最佳用量为5份;而且只有使用剪切效果优良的双螺杆挤出机才能制备出性能优异的木塑复合材料。
关键词:
木塑复合材料;相容剂;力学性能;加工设备
中图分类号:
TQ325.12 文献标识码:
A 文章编号:
1001-9456（200606-0046-04
PreparationofHDPE/WoodFlourCompositesModifiedbyHDPE2g2MAHand
StudyonProcessingEquipment
SONGGuo2jun,WANGHai2long,WANGLi,LIPei2yao,QIFeng,GUZheng
（InstituteofPolymerMaterials,QingdaoUniversity,Qingdao,Shandong266071,China
Abstract:
HDPE/woodflourcompositeswerepreparedwithHDPE2g2MAHascompatibilizerbyatwin2screwextruder,thebestcontentofHDPE2g2MAHwasensuredthroughthecharacterizationofmechanicalprop2ertiesandmicrocosmicstructure.Thendifferentwoodplasticcompositeswerepreparedbysingle2screwextru2der,two2rollmillandbanburymill.TheresultsshowedthatHDPE2g2MAHhadapositiveeffectontheinterfa2cialcompatibilizationandincreasedthemechanicalpropertiesoftheHDPE/woodflourcompositesanddisper2singeffectofwoodflour.WhenthecontentofHDPE2g2MAHwas5%,thewoodplasticcompositeshadtheex2cellentpropertiesmadebyatwin2screwextruderwithhighsheareffect.
Keywords:
woodplasticcomposites;compatibilizer;mechanicalproperties;processingequipment
热塑性木塑复合材料（WoodPlasticComposites,简
称WPC指的是采用木纤维或者植物纤维填充、增强,经过热压复合、熔融挤出等不同加工方式制成的改性热塑性材料。
近年来,随着全球资源日趋枯竭、社会环保意识日渐高涨,对木材和石化产品的应用也提出了更高的要求。
因此木塑复合材料这种既能发挥材料中各组分的优点,又能充分利用废弃木材和塑料,减少环
境污染,提高材料附加值的产品愈来愈受到人们的关注。
研究表明:
木塑复合材料能够广泛应用于地板、托
盘和汽车配件等领域[1~3]
。
由于亲水性的木粉和疏水性的聚烯烃树脂的相容性很差,加工过程中木粉容易团聚,分布不均匀,造成复合材料的力学性能较差。
这些缺点极大地限制了木塑复合材料的进一步应用。
众所周知,增加复合材料
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64—3收稿日期:
2006-06-23
作者简介:
宋国君（1957-男,教授,博士,博士生导师,1992年获北京化工大学材料学博士学位,主要从事纳米材料及其复合材料,多相聚合 物材料的研究。
中填料和基体的相容性能够改善分散,提高性能;为了改善木粉和树脂间的界面结合力和相容性,各国学者进行了研究[4~8]。
但相容剂的选择及其最佳用量、以及加工工艺对性能的影响仍需要深入的研究。
文中采用HDPE2g2MAH做增容剂,在固定聚乙烯与木粉比例为50∶45的条件下,变化不同相容剂的用量,采用双螺杆熔融挤出制备了HDPE/木粉复合材料。
通过力学性能测试确定了相容剂的最佳用量,并利用扫描电子显微镜（SEM对材料的亚微观形态进行观察,同时为了考察加工工艺对材料性能的影响,相同含量下对比采用了单螺杆挤出法、双辊混炼法和密炼法制备出复合材料,进行了对比测试表征;讨论了加工条件、加工设备对木粉的分散性及材料性能的影响。
1 实验部分
1.1 主要原料
高密度聚乙烯HDPE2480:
齐鲁石化公司MFR=01124g/10min（190℃,510kg;
木粉（100目:
自制;
HDPE2g2MAH:
接枝率111%,MFR=115g/10min（190℃,510kg,自制;
润滑剂、抗氧剂等辅助添加剂:
市售。
1.2 主要设备和仪器
电热鼓风干燥机:
10123A型;
电子拉力试验机:
DXLL250000,上海登杰机械设备有限公司;
注塑机:
FT280,浙江申达塑料机械有限公司;
简支梁冲击试验机:
XJJ250,承德金建检测仪器有限公司;
双螺杆挤出机:
SLJK,成都科强高分子工程公司;
高速搅拌机:
天津市大明电机公司;
单螺杆挤出机:
JS265B,胶州华兴塑料机械有限公司;
双辊开炼机:
SK21608,上海橡胶机械厂;
密炼机:
X（SN210,大连通用橡胶机械有限公司;
扫描电子显微镜:
JSM2840,日本JEOL公司。
1.3 样品的制备
将木粉在鼓风干燥箱中烘干脱水至恒重,与HDPE、HDPE2g2MAH、润滑剂、抗氧剂等按照一定比例混合,放置于高搅机中搅拌均匀,然后在双螺杆、单螺杆、双辊和密炼机上塑炼,再破碎注塑制备样条。
各种机械的加工参数如下所示:
双螺杆挤出机:
料筒/口模温度170℃/175℃/180℃/180℃/185/℃/185℃/185℃,螺杆转速100r/min;
单螺杆挤出机:
料筒/口模温度170℃/180℃/185℃,螺杆转速60r/min;
双辊开炼机:
前辊180℃/后辊175℃,辊距115mm;
密炼机:
进料180℃/卸料175℃,转速40r/min。
1.4 性能测定
1.4.1 力学性能测试
分别按GB/T1040292和GB/T9341200在电子拉力试验机上测定试样的拉伸强度和弯曲强度,按GB/T1842296在简支梁冲击试验机上测定试样的缺口冲击强度。
1.4.2 熔体流动速率（MFR的测定
用熔体流动速率仪测定复合材料的熔体流动速率（MFR,条件:
190℃,负荷5kg。
1.4.3 扫描电子显微镜（SEM观察
材料样品断面喷金处理,在扫描电子显微镜上观察材料断层表面形态,加速电压为60kV。
2 结果与讨论
2.1 HDPE2g2MAH的含量对HDPE/木粉复合材料性 能的影响
图1考察了HDPE2g2MAH的加入对木塑复合材料拉伸强度和弯曲强度的影响。
未加相容剂的体系由于木粉和聚乙烯间的相容性很差,两相界面粘结力较弱,木粉分散尺寸大,不均匀,复合体系力学性能较差。
图1 HDPE2g2MAH的加入量对木塑材料的
拉伸强度和弯曲强度的影响曲线
从图1中可以看出,拉伸强度和弯曲强度分别只有2210MPa和2317MPa。
而加入相容剂之后,复合材料的力学性能明显提高,随着HDPE2g2MAH添加量的增加逐渐提高。
这是因为相容剂加入以后,木粉分散尺度小,应力缺陷少,木粉和基体之间界面结合力增加,形成一个连续的界面层,受力过程中可以有效地传递应力,从而提高了强度。
当HDPE2g2MAH的质量含
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4
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量为5%时,拉伸强度和弯曲强度分别为4416MPa和4910MPa,是未加相容剂的2倍多。
但是当相容剂的加入量超过5%时,由于接枝物本身的力学性能较差,大量添加反而使拉伸强度不再提高,而弯曲强度则出现下降趋势,因此可以确定相容剂添加量为5%时为最佳用量。
冲击强度是评价体系韧性的重要指标。
图2给出了随HDPE2g2MAH加入量的增加复合材料缺口冲击强度的变化曲线。
从图中可以看出,复合材料的冲击强度并没有因相容剂的加入而提高,反而略有下降,达到一定程度后缓慢上升。
这个实验结果与苑东兴等人[8]
的结果相似。
认为出现这种现象的原因是未加相容剂的体系中,木粉的分散尺度大,相对含量小,材料中聚乙烯基体的连续程度高,冲击受力过程中主要由聚乙烯基体吸收能量,而且大量的柱形木粉尺寸大,纵向穿插在基体中,木粉本身抗击冲能力强,一定程度上提高冲击,因此冲击强度较高;而加入相容剂后,木粉的分散尺度明显减小,分散密度明显增大,破坏了材料中聚乙烯基体的连续性,因此冲击受力过程中,需要由木粉和基体之间的界面来吸收大部分能量,而界面之间的吸收能力肯定小于纯聚乙烯基体,因此冲击强度略有降低,当相容剂增加到一定程度后,增加了材料中聚合物的相对含量,提高了能量吸收能力,冲击强度出现回升趋势。
综合来说,相容剂的加入有效地改善了木粉和树
脂基体的界面粘结力,提高了木粉在体系中的分散性。
虽然加入5%相容剂时冲击强度比未加时略低,但仍达到612kJ/m2
高于实际应用的均聚型聚丙烯等材料,而且加入相容剂后,拉伸强度和弯曲强度明显提高,分别达到4416MPa和4910MPa,因此具有广泛的市场应用价值
。
图2 HDPE2g2MAH的加入量对材料的
缺口冲击强度的影响曲线
2.2 复合体系的微观形貌
从图3（a中没有添加相容剂的复合材料的断层
扫描照片中可以看出,未加相容剂时木粉和树脂基体界面结合很差,断层时木粉被抽出,从而形成了较大尺寸凸立的柱形体或空洞,说明木粉与聚乙烯基体之间存在明显的相分离现象;分离的两相在复合材料受力过程中界面应力集中,不利于应力的分化,从而造成力学性能较差
。
图3 （a未加相容剂的木塑材料的断层扫描照片,（b、（c为加入HDPE2g2MAH的木塑材料的断层扫描照片
而图3（b可以看出,加入相容剂后,木粉与聚乙
烯基体之间形成均匀一致的体系,断面模糊,没有柱形木粉或空洞存在,这是因为加入相容剂增加了木粉和基体之间的界面结合力,在挤出剪切作用下,木粉分散成较小尺寸后,在竞争条件下,相容剂对木粉界面的作用力大于木粉自聚力,因此没有形成自聚,从而使木粉均匀地分散在了基体中;图3（c是加入相容剂后断面的放大图,可以清晰地看出,木粉的表面被很好地包覆
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着一层马来酸酐接枝聚合物,这说明改性是成功的。
因此木粉在基体中分散均匀、尺寸小、界面作用力大的情况下,对材料的性能提高幅度将更加明显。
2.3 不同加工设备对制备的HDPE/木粉复合材料性 能的影响
表1给出了在相同配方的情况下,不同加工设备对HDPE/木粉复合材料力学性能的影响。
从中可以看出,机械加工设备对复合材料的力学性能有着显著的影响。
双螺杆挤出机效果最好,双辊混炼机和单螺杆挤出机次之,密炼机效果最差。
表1 不同加工设备对HDPE/木粉复合材料
力学性能的影响
加工设备冲击强度
/（kJ/m2
拉伸强度
/MPa
弯曲强度
/MPa
杨氏模量
/MPa
双辊混炼机6.547.737.41785
单螺杆挤出机6.044.635.11700
双螺杆挤出机6.249.044.61990密炼机8.138.334.81150
这是因为双螺杆的剪切力最强,剪切后的木粉尺寸最小,使木粉和相容剂的接触面积增大,表面改性效果最好,宏观上力学性能最好;双辊混炼机剪切力较高,略差于双螺杆挤出机,但其生产效率低,劳动强度大;单螺杆挤出机熔融过程中剪切力小,在挤出成型处有压缩剪切起到有限的作用力,效果较差;密炼机混炼过程中,转子间隙大,剪切力最小,效果最差。
因此要制备分散均匀,性能优异的木塑复合材料需要加入HDPE2g2MAH作相容剂的情况下,采用剪切效果好的双螺杆挤出机进行制备。
3 结论
1实验测试结果表明,当HDPE2g2MAH作为相容剂加入量为5%时,木塑复合材料的性能最佳,拉伸强度和弯曲强度分别提高了103%和107%,缺口冲击强度较低,但仍然达到了612kJ/m2。
扫描电子显微镜观察发现,接枝物作为相容剂起到了良好的界面增容作用,分散尺寸更小,分散更均匀,界面结合力更强。
2不同的加工设备对制备的HDPE/木粉复合材料的性能也有着显著的影响。
高剪切作用的双螺杆挤出机增大了木粉与相容剂的接触表面积,提高了木粉在基体中的分散性,得到的复合材料综合性能最好,双辊和单螺杆次之,密炼机效果最差。
参考文献:
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（本文编辑SXQ
国内快讯
反应注射成型技术的发展
（日《•≤—》 第51卷 进步篇 第226~233页 2005年
反应注射成型技术自1964年德国Bayer公司研发成功,被广泛应用于家具、建材、汽车制造等领域,发展速度很快。
近年来,一种微细发泡技术和反应
注射成型相结合的新型反应注射成型技
术“MCF2RIM”初见端倪,受到人们极大
的关注。
“MCF2RIM”反应注射成型的原理
是:
采用热力学不稳定现象进行成型,采
用N
2
、CO
2
等惰性气体为发泡剂,通过
高压泵定量地将发泡剂注入液态树脂
中,在5s的时间里可溶解于液态树脂
中,经反应后注射成型得到微细发泡制
品。
“MCF2RIM”反应注射成型的特点
是:
1可得到泡孔均匀,平均孔径为
12μm的微细成型制品;2能够生产制
备连续气泡和独立气泡的制品;3与常
规发泡注射成型技术相比,成型周期短、
生产效率高;4采用惰性气体为发泡剂,
用量少、成本低;5能够生产出用常规发
泡成型技术所不能生产的发泡制品。
（刘际泽
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