PP基木塑复合材料配方研究论文定稿.docx
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PP基木塑复合材料配方研究论文定稿
本科毕业论文（设计）
题目：
PP基木塑复合材料配方研究
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20**年**月**日
PP基木塑复合材料配方研究
摘要
对PP基木塑复合材料配方进行了研究，采用正交试验方法,以木粉含量、偶联剂用量、PP-g-MAH用量、滑石粉用量和润滑剂用量为因素，以材料的各项力学性质及熔融指数为指标，进行实验，得到影响复合材料性能的各因素主次关系，优化了配比。
实验结果表明：
木粉填充量对复合材料力学性能综合影响最显著；硅烷偶联剂KH550和PP-g-MAH的加入均可以提高复合材料的力学性能，PP-g-MAH影响更显著；PE蜡用量对复合材料加工流动性影响较大；滑石粉对复合材料的断裂伸长率和冲击强度影响较显著，提高了材料的弯曲和拉伸强度；综合分析得配方优化方案木粉用量40份，KH550用量1份，PP-g-MAH用量9份，PE蜡用量2份，滑石粉用量6份。
关键词：
聚丙烯，木塑复合材料，正交试验，力学性能
Abstract:
PPbasedwood-plasticcompositeformulation,orthogonaltestmethod,thewoodflourcontentandcouplingagent,PP-g-MAHwastheamountoftalcandlubricantdosagefactors,thematerialmechanicalpropertiesandthemeltindexasanindicator,theexperiment,variousfactorsaffecttheperformanceofthecompositeprimaryandsecondaryrelationshiptooptimizetheratio.Experimentalresultsshowthat:
themostsignificantwoodflourfilleronthecombinedeffectsofthemechanicalpropertiesofcomposites;ofsilanecouplingagentKH550andPP-g-MAHcanimprovethemechanicalpropertiesofcompositematerials,theimpactofPP-g-MAHwasmorepronounced;thePEamountofwaxcansignificantlyenhancethemobilityofthematerialprocessing;talcumpowderthantheelongationatbreakandimpactstrengthofcompositessignificantlyimprovedflexuralandtensilestrength;comprehensiveanalysistohavetheformulaoptimizationofwoodpowderdosageof40ofKH550dosageofPP-g-MAHwastheamountofnine,theamountofPEwax,talc6.
Keyword:
Polypropylene，Wood-plasticcomposites，Orthogonaltest，Mechanicalproperties
摘要……………………………………………………………………………………………………………I
Abstract…………………………………………………………………………………………………………I
第1部分前言………………………………………………………………………………………………1
1.1引言…………………………………………………………………………………………………1
1.2木塑复合材料研究进展及亟待解决问题……………………………………………………2
1.2.1木塑复合材料研究进展……………………………………………………………………2
1.2.2木塑复合材料亟待解决问题………………………………………………………………3
1.3木塑复合材料界面结合理论……………………………………………………………………4
1.3.1界面润湿理论…………………………………………………………………………………4
1.3.2化学键理论……………………………………………………………………………………4
1.3.3机械互锁理论…………………………………………………………………………………4
1.3.4减弱界面局部应力作用理论………………………………………………………………5
1.3.5变形层理论……………………………………………………………………………………5
1.4提高界面相容性的方法……………………………………………………………………………5
1.4.1物理方法…………………………………………………………………………………………5
1.4.2化学方法…………………………………………………………………………………………6
1.5配方组成及加工工艺………………………………………………………………………………7
1.5.1原材料选择………………………………………………………………………………………7
1.5.2木塑复合材料加工工艺……………………………………………………………………9
1.6木塑复合材料的应用现状..……………………………………………………………………11
1.7本课题研究目的与意义…………………………………………………………………………12
第2部分实验部分.………………………………………………………………………………………13
2.1试验原料与助剂…………………………………………………………………………………13
2.2试验设备……………………………………………………………………………………………13
2.3试验配方……………………………………………………………………………………………14
2.4试验方法……………………………………………………………………………………………15
2.4.1木粉的前处理…………………………………………………………………………………15
2.4.2加工工艺流程…………………………………………………………………………………15
2.4.3加工工艺参数…………………………………………………………………………………16
2.4.4性能测试.………………………………………………………………………………………16
第3部分性能结果与分析.………………………………………………………………………………17
3.1拉伸强度结果与方差分析.………………………………………………………………………18
3.2断裂伸长率结果与方差分析.……………………………………………………………………19
3.3弯曲强度结果与方差分析………………………………………………………………………21
3.4冲击强度结果与方差分析.………………………………………………………………………22
3.5熔融指数结果与方差分析.………………………………………………………………………24
3.6本部分小结.…………………………………………………………………………………………25
第4部分结论………………………………………………………………………………………………25
谢辞……………………………………………………………………………………………………………26
参考文献..……………………………………………………………………………………………………26
附录文献翻译……………………………………………………………………………………………28
第1部分前言
1.1引言
当今社会发展迅速,国与国之间的竞争日趋激烈,环境问题日益突出,人们的环保意识日益高涨.随着社会的不断发展，人们对塑料制品的需求量持续增加，又随着全球的森林面积日趋缩减，废旧塑料和木材越来越多，对周边环境造成了巨大危害,怎样回收利用废旧塑料和回收木材已经为环保人士及科学界、工业界专家的关注。
但木材存在大量缺点比如容易腐蚀、容易燃烧、易受虫蛀、绝对强度低、易吸水、受潮并引起较大尺寸变形等缺点[1]，塑料存在难降解,对环境危害大等,这就在一定程度上限制了其更广泛应用。
在这种背景下，将木材与塑料通过加工复合而制得的一种新材料——木塑复合材料（Woodplasticscomposites，简称WPC）如雨后春笋般应运而生。
木塑复合材料作为近年来环保复合材料的研究重点，具有广阔的市场和发展前景，作为新型工业材料，其具有良好的环境协调性，在国民经济中起着非常重要的作用。
木塑复合材料是利用聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等热塑性树脂及回收塑料，与一定含量的木粉、秸秆、稻壳等植物纤维混合，添加相关添加剂，经挤出、模压、注射成型等材料加工工艺，生产出的各种板材或型材，其兼具了塑料和木材的双重特性。
木塑复合材料充分利用资源，并可以回收利用、保护环境，具有比单独的木质材料或塑料产品更为优异的性能，是木材的理想替代品，总结其主要优点有[2]：
（1）没有木材制品的木节疤、斜纹理等缺陷，尺寸稳定性好，无翘曲、裂缝等缺陷，物理性能优良，耐用、寿命长，比塑料硬度高，无甲醛等有害气体释放；
（2）木塑制品可通过压制、挤出、注射成型方法生产，加工方便，生产效率高，无加工剩余物，可以有效利用原材料；其机械性能好，具有的可钉、可锯的二次加工性能，制品表面光滑、坚固、可压制出各种形状图案，而且着色性好，可制的各种颜色制品；
（3）原料充足，制备技术性能可靠，价格低廉，能重复使用和回收再利用，有利于保护环境；具有防虫蛀，防静电等特点，还有耐腐蚀，耐老化和耐候性等特点。
木塑工业发展很快，木塑复合材料市场每年都以两位数增长，已经成为一种通用材料广泛使用。
最新统计表明：
在北美，有超过100家的木塑企业，产值超过十亿美元，美国2010年木塑产量约80万吨；我国具有出口价格优势，并且国内市场需求大增，国内有超过两百家木塑相关生产企业[3]。
1.2木塑复合材料研究进展及亟待解决的问题
1.2.1木塑复合材料研究进展
（1）国外研究进展
在国外，20世纪中期就开始了木塑复合材料在商业上的应用。
发展到20世纪80年代，在意大利兴起Wood.stock木塑复合材料，具有价格低廉、制品硬度高、力学强度好等特点，作为福特汽车的内衬板材应用至今。
2004年，欧美相关法律的制定使得木塑托盘曾为木制托盘的替代品，得到很大发展。
到了20世纪90年代，木塑复合材料受到国内外学者的普遍关注[4]，但是产品还仅限于托盘、包装箱等场合。
近年来，国外木塑复合材料发展迅速，技术开发和产品应用都上了一个台阶[4]。
国外木塑产品发展迅速的典型产品就是轿车内衬件，几乎所有的大型汽车公司都在使用木塑复合材料做门护、仪表盘等轿车内件。
DaanFing[5]研究了杨麻与PP复合的界面性能。
用PP-g-MAH作为相容剂，得到经处理的木粉复合材料的拉伸强度及抗冲击强度明显提高，但扬氏模量降低；相容处理改变了混合物的结晶性和熔融行为，使分子链受到更多的限制，导致复合材料结晶度低，并且结晶有更多的缺陷，具有了较低的熔融温度；经PP-g-MAH处理的样品具有了较高的软化温度，其蠕变性能也得到了改善。
ByungDae等[6]研究了木粉填充聚丙烯树脂后复合材料的物理力学性能。
研究发现，加入木粉能够明显提高复合材料的硬度和拉伸性能，但会降低材料的冲击强度和断裂伸长；加入三元乙丙橡胶增韧后，复合材料的冲击强度和断裂伸长率有所提高，材料的硬度及拉伸强度反而降低。
V.N.Hristv等[7]研究了木塑复合材料中加入聚丙烯接枝马来酸酐相容剂后，复合材料力学性能。
研究发现,复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度都随着相容剂增加有不同程度的提高。
（2）国内研究进展
国内木塑复合材料的研究起步比较晚，开始于20世纪80年代中期，但是我国木塑材料发展迅速，展示了良好的发展前景。
我国木塑复合材料主要应用在建筑方面（如门框、地板）工业用托盘与包装材料等中、低端产品，非结构、承重型产品与材料，附加值不高。
比起国外木塑产品在汽车、火车、军事等对技术、经济环境性要求严格领域的应用，国内的研究与发展还很有差距。
近年来，我国的科研工作者在木塑复合材料研究上做了大量的科研工作，对木塑复合材料性能增韧增强，界面相容性，加工工艺等问题都进行了大量的研究。
林群芳等[8]用硅烷偶联剂处理木粉,填充聚丙烯后，提高了复合材料的界面结合强度，同时添加了改性聚丙稀作为相容剂,增加了复合材料的强度及模量，但是改性聚丙稀添加量超过5%以后，复合材料的冲击强度有下降趋势。
庄乃银等[9]研究了提高PP基木塑复合材料力学性能的方法，结果表明：
添加PP-g-MAH作为相容剂能够改善木粉与塑料基体的界面相容性，显著的提高木塑复合材料的拉伸及弯曲性能。
李思远[10]等对木塑复合材料挤出加工工艺进行了研究，结果表明：
双螺杆挤出机比单螺杆挤出机加工工艺有更多优点，双螺杆挤出机螺杆强制下料可以有效解决单螺杆加料困难的缺点，使得体系分散均匀，减少了木粉烧焦现象发生等问题，采用双螺杆挤出机所得木塑复合材料加工流动性好，木粉高填充量下对木塑复合材料的拉伸强度影响很小。
尽管我国在木塑复合材料的研究上取得了一些阶段性的成果，但国内木塑产品存在木粉填充量小、加工和物理机械性能低劣等问题，需要我们科研工作者们继续探究，争创佳绩。
1.2.2木塑复合材料亟待解决问题
木塑复合材料具有木材和塑料双重优点，并且使用性能已经超出了单纯木材与塑料，木塑复合材料已经受到国内外社会的广泛关注。
在木塑复合材料快速发展的同时，该行业也正在面临许多技术问题亟待提高。
（1）加工工艺
由于木塑复合材料产品主要采用挤出成型，大多数情况下复合材料只能呈现直线状态，几乎没有曲线造型和圆滑的转折，在生产中造型自由度低。
加工生产方式限制了该材料的高端方向发展，针对该问题，我们需要大力开发木塑复合材料生产专用设备，改进生产工艺，提高材料的造型自由度。
（2）相容性与表面改性
由于木纤维是强极性物质，表面存在着大量的羟基，不仅具有亲水性，并且羟基的存在会形成氢键，使木纤维聚集在一起，造成木粉在树脂基体中分散不均匀，从而影响复合材料的综合性能。
只有经过表面改性，才能实现两者具有良好相容性，提高复合材料的物理力学性能。
如何改善木纤维与树脂的相容性，是木塑复合材料研究的关键问题，也是研究难点。
处理木纤维与树脂相容性的方法有很多，大体分为物理方法和化学方法。
对于不同的纤维种类、形态及基体树脂，需选择不同的改性途径，各种改性方法并不是孤立的，可以使用一种或多种处理方法进行改性。
木塑复合材料节能环保，具有多种优点，是一种极具发展前途的材料，拥有广阔的发展前景，可以预见今后木塑复合材料的发展方向是：
（1）工艺设备专业化;
（2）产品高端化;（3）研发市场化;（4）性能稳定化[11]。
1.3木塑复合材料界面结合理论
木塑复合材料的性能好坏取决于木粉与塑料基体的界面相容性，界面相容性好坏与两者之间的界面区有关。
界面区将塑料基体与填充材料结合成一个有机整体，并且通过它传递外场作用[12]。
界面对复合材料的重要性使得科学工作者从不同角度进行了研究，提出了不同的界面作用机理：
化学键理论、界面润湿理论、机械互锁理论、减弱界面局部应力作用理论、变形层理论、抑制层理论等。
1.3.1界面润湿理论
该理论认为填充物被处理剂良好浸润是非常重要的，如果浸润不良会造成界面上空隙产生，在受到外力的作用下，会在界面处产生脱黏界面区，就会出现应力集中而使复合材料发生开裂；如果形成完全浸润，则基体与填充物间粘结强度将大于基体的内聚强度，就会产生好的复合作用。
良好的浸润，还可以将填充物表面气体排除，减少分子界面间的空隙率，提高界面间的相互黏结作用，提高木塑复合材料综合性能。
1.3.2化学键理论
化学键理论认为树脂基体与填充材料之间能够形成强的结合是因为树脂基体表面上的官能团与填充物表面上的官能团发生了化学作用，产生化学键，或用来处理填充物的表面处理剂（偶联剂）一部分含有能与填充物起化学作用的官能团，另一部分含有能与树脂基体起物理或化学作用的官能团，从而形成了两组分间的化学键连接。
纤维与塑料基体之间本身不存在化学键，需用表面处理剂对木粉进行预处理。
处理剂上的两种官能团，一种可与纤维反应产生化学键，另一种能与树脂基体反应产生化学键，从而使两者牢固地粘结起来，提高了纤维复合材料的各项力学性能。
1.3.3机械互锁理论
机械互锁理论认为，在填充物具有粗糙表面的情况下，粗糙表面上会有各种凹凸不平以及疏松多孔结构，当树脂基体与填充物在高温下塑炼，树脂会填满或者部分填充填充物的凹凸不平结构，这样两种材料互相接触渗透，固化后在两界面形成坚实的咬合结构，形成互锁。
木粉中木质纤维作为为多孔性材料，在木粉与树脂复合的过程中，该理论有重要意义，影响很大。
在高温作用下，熔融态聚丙烯渗透到木粉的各个疏松多孔的表面中，形成机械互锁，在树脂固化后两种组分坚实的连结起来，从而复合材料具有了各种高水平力学性能。
通过对木粉进行预处理来增加它的表面粗糙度，使其与树脂形成的机械互锁更加有效，从而增加两者界面强度，提高复合材料力学性能。
1.3.4减弱界面局部应力作用理论[13]
减弱界面局部应力作用理论认为，填充物在填充塑料基体时所加入的添加剂及助剂，为复合材料在外力作用下处于断裂状态时，起到了修复断裂的作用。
于是复合材料在使用过程中不断处于断裂与复合的动态平衡关系。
例如，当低分子化合物使复合材料界面区的化学键发生断裂，将使界面区上的化学键断开，但是添加的助剂会在填料表面不断滑移，使得化学键重新形成，此时复合材料仍具有很高的力学性能。
1.3.5变形层理论
该理论认为，处理剂对填充物进行处理后，在树脂基体表面形成塑料层，在外力作用下，塑料层会发生形变，发生界面应力松弛作用，而且可以阻止裂纹的扩散，避免复合材料遭到严重破坏。
1.4提高界面相容性的方法
在木纤维改性聚丙烯复合材料中，复合材料的性能好坏取决于两组分之间的界面相容性。
由于木纤维中存在着大量的羟基，不仅具有亲水性，并且羟基的存在会形成氢键，使纤维聚集在一起成团，不能在树脂基体中均匀分散，从而影响复合材料的复合性能。
在制备木纤维／树脂复合材料时，需要对纤维进行改性处理，提高复合材料的界面相容性。
相容性改性方法一般分为物理方法和化学方法两种。
1.4.1物理方法
物理改性方法是通过物理作用原理对木粉进行预处理，在物理处理过程中，可能会导致活性基团发生变化，诱发木粉发生化学反应，改变木粉表面结构与性能。
（1）热处理法
热处理法是处理木纤维的基本方法，不仅可以降低木粉中游离水的含量，而且降低木粉中羟基的含量，并使半纤维素发生热降解，降低了木粉的极性，使木粉与树脂基体粘结更加充分。
但是热处理温度过高会使木纤维发生热降解，造成木粉碳化，所以在热处理木粉时不仅要选择合适的温度，还要隔绝氧气，防止木粉变质。
（2）放电处理
放电处理方法主要包括低温等离子体处理、电晕处理以及辐射处理等方法。
三种处理方法各自有自己的特征。
电晕处理方法可以对填料的进行表面氧化，该处理方法能过激活木粉表面羟基结构，从而改变了其表面能，增加了木粉的表面。
低温等离子体处理技术，依据所用气体的不同，可以进行系列化的纤维表面交联，使纤维表面产生自由基和官能团[14]。
用辐射的方法对高聚物基体进行处理具有明显的效果。
（3）蒸汽喷发
蒸汽喷发（SteamExplosion,STEX）是处理天然纤维的一种新方法[15]。
蒸汽喷发处理可以引起木粉组成成分结构与性质发生改变，破坏木粉细胞壁，降低半纤维及木质素含量,因此增加了木纤维表面积，提高了木粉力学强度。
1.4.2化学方法
化学改性方法通过化学试剂或者添加剂来对木粉进行处理，改变了植物纤维表面的化学结构，可以提高纤维与基体树脂的界面粘接，有利于纤维的基体树脂中的均匀分散[16]。
（1）碱处理方法
碱处理法是植物纤维改性的常用方法，非常广泛的应用于纤维材料的改性。
经过一定的碱处理，溶去植物纤维中木质素、半纤维素及杂质等物质，使纤维表面更加粗糙，而且碱与羟基的反应，可以破坏纤维素分子链间氢键，降低木质填充物的聚集成团的趋势，从而增强其与树脂基体的相互作用，提高复合材料的力学性能。
（2）偶联剂处理
偶联剂处理是改善树脂基体与木粉界面性能的常用处理方法。
偶联剂分子是具有两种或两种以上官能团的活性大分子，在木粉改性聚丙烯的过程中，其中一个官能团与木粉中羟基发生作用，另一官能团与聚丙烯树脂发生作用。
这样偶联剂很好的将木粉与聚丙烯结合起来，起到偶联作用，从而改善了两者的相容性，提高复合材料力学性能。
偶联剂可以分为低分子型偶联剂和高分子性偶联剂。
这些偶联剂可大致分为三类:
有机偶联剂、无机偶联剂、有机和无机杂化偶联剂[17]。
木塑复合材料中应用最主要有硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、聚异氰酸酯（PIC）偶联剂等[18]。
硅烷偶联剂是偶联剂研究中最早且应用范围最广的偶联剂之一。
它不仅可以提高复合材料的机械力学性能，还可以明显提高复合材料的耐热、耐水及耐候性。
硅烷偶联剂的通式为RXiX[19]，式中R系与聚合物分子有亲和力或反应能力的活性基团，如氨基、环氧基、乙烯基、甲基丙烯酰基等；X为能够水解的基团，如甲氧基、乙酰基氧、乙氧基和氯基等。
（3）相容剂处理
近些年来，有关相容剂的研究非常多，其对改善木塑复合材料界面有很大作用。
根据作用机理不同可将相容剂分为非反应型相容剂和反应型相容剂两种[20]。
其中应用于木塑复合材料最广泛的为反应型相容剂，反应型相容剂是一种分子链中带有活性基团的聚合物，主要的活性基团有马来酸酐（MAH）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、缩水甘油基甲基丙烯酸（GMA）等。
相容剂在材料加工中一端活性基团与木粉中纤维素的羟基反应结合，另一端大分子与塑料基体发生缠绕，提高了塑料与木粉的结合能力。
常用的相容剂有聚丙烯接枝马来酸酐（PP-g-MAH）、乙烯-辛烯共聚物接枝马来酸酐（POE-g-MAH）、三元乙丙橡胶接枝马来酸酐（EPDM-g-MAH）、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物接枝马来酸酐（SEBS-g-MAH）。
（4）表面涂覆
植物纤维的表面能大小与它的亲水性关系很大。
用脂肪酸或脂肪酸盐对填料进行表面包覆改性，可以使粒子较好的分散于树脂基体中，提高填料分散性，并且降低了复合材料粘度，提高加工流动性。
用醋酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等乳状液涂覆木粉表面可以提高与树脂的粘结性及分散性，并能减少成型加工时所产生的摩擦热，有效防止成型加工中蒸发出木粉中的水分、木质素等成分而发生热分解，发生“烧伤”[21]。
1.5配方组成及加工工艺
1.5.1原材料选择
（1）树脂
目前用于木塑复合材料的树脂主要有：
PE树脂（多采用HDPE回收料），发展迅速，占市场用量的80％；PVC市场占有率为10％，目前增长停滞；P
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