再生胶粉及玻璃纤维改性WPC的研究

再生胶粉及玻璃纤维改性WPC的研究 ?2Q盟量鱼挝抖堑选基 再生胶粉及玻璃纤维改性WPC的研 周叶青，鲍天民，崔益华，陶杰 t南京航空航天大学材料科究 210016) 学与技术学院，南京， 摘要:为了进一步提高WPC的综合性能，本文将木纤维与高密度聚乙烯以及再生胶粉、 璃纤维进行熔融共混，挤出造粒，然后通过注塑成型制得试样，进行了拉伸、冲击和熔融指玻 等性能测试，运用扫描电子显微镜观察了拉伸断口形貌。结果表明:当再生胶粉的加入量数 为 5,及粒径为120目时，WPC的断裂延伸率最高，具有最佳的综合力学性能;玻璃纤维含量 为 4,时，WPC强度的增加幅度最明显。 关键词: WPC，再生胶粉，玻璃纤维，高密度聚乙烯 of Plastic Research on Wood RubberModification Composite by Recycled Powder and Glass Fiber Yihua,Tao Zhnu Jie Tianmin，Cui Y郇ng,Bao ofMaterial (college ScienceandTechnology，N,mjingUniversityofAeronautics,Aswonaufies，NanJing,210016, ChilI小 Abstract:To the of wood fiber，high density general capability plastic composite,wood improve extmded to fabficate for the were rubber and fiber mixed mid ，recycled glass specimens polyethylenetensile， of flow lest the fracture surface electron indexes and was composites observed、by impact，melt scanning and it's results indicated that has the best capability rapture wood plastic general microscopy(The composite the mcvcled rubber ratio is the one when of prolongation highest quantity is five the and percent particle is of of wood increment the tensile is the the diameter 120 most when one ;the strength meshcomposite plastic fiber is four of斟a8s percent(quantity mbher,一?s fiber'high plastic composite，recycled density Keywords:wood polyethylene 前言 Plastic 木塑复合材料(wood Composites，简称WPC)是以木纤维或植物纤维为组分，经过 预处理与热塑性塑料通过各种途径复合而成的一种新型材料。这种材料兼有木材和热塑性 塑料的性能，既具有木纤维或植物纤维的高强度、高弹性，又具有聚合物基体的高韧性、耐疲 劳、可回收等优点，其主要表现有以下几点【l】: (1)有木质的外观，可可 制成各种色彩的制品，使用寿命长; (2)力学强度良好航冲击强度 高、热伸缩性和吸水性均比木材小; (3)尺寸稳定性好，不易产生裂缝、翘曲变形，且无节疤，同时具备木材的一次加工性能， 可锯、刨和粘接或用钉子、螺栓连接固定; (4)耐磨、耐化学腐蚀、不怕虫蛀、非易燃; (5)加入木粉填充，质轻、价廉、加工性能好、对加工设备的磨损小; (6)绿色环保，可重复加工使用，废弃后能回收利用，维护费用低。 B(重用亚究? 有资料表明目前国外wPc正以每年25,的速度发展，市场前景非常广阔1"21。 然而，虽然WPC有许多优点，但是仍然存在一些不足。由于术质材料是由纤维素、半纤 维素、木素以及各种抽提物组成的天然高分子复合材料，是一种不均匀地各向异性材料(因 此界面特性十分复杂。而组成木质材料的纤维素、半纤维素和木素等主要成分中含有大量的 极性羟基和酚羟摹官能团，其表面表现出很强的化学极性。所以木纤维和树脂基体问的相容 性很差，界面结合强度低，从而影响了WPC的强度和韧性;羟基间可形成氯键，因 之间的相互作用很强，使其在树脂基体中的分散极差，要达到均匀分散较为困难;此木纤维 时木材易降解变色，同时高分子材料也会受热降解，不适合的配方和3tlq-_T(艺会成型加工 导致WPC 的强度和韧性下降M。 另一方面，随着经济的持续快速发展，废弃橡胶制品的产生也越来越多，由此带来了严 重的经济问题和环境问题。大量废橡胶制品的堆积，给人类的生存发展带来威胁。目前，人们 采用各种方法对废旧橡胶加以回收利用，包括轮胎翻新、制再生胶、制胶粉、裂解回收化工原 料以及燃烧获取能量等。其中胶粉的利用，尤其是胶粉在WPC中的应用正展现出勃勃的„ 机}”。 生 为了提高WPC的强度和韧性，本文采用了熔融共混法将不同含量的玻璃纤维以及 同含量、不同粒径的再生胶粉与木纤维、高密度聚乙烯共混挤出制备wPC，再通过不 成型机制备出性能测试所需要的各种试样，最后测试其拉伸、冲击性能、熔融指数和注塑 断裂 延伸率，并用扫捕电子显微镜观察其断口形貌，来研究在WPC中分别加入玻璃纤 再生胶粉对其微观界面结合和宏观力学性能的影响，希望能从中找出提高WPC维以及 的切实可行方法。 各项性能 2、实验 2(1原材料 废弃木材由锯木厂提供，纤维的长短粗细不均匀，经1nun(18目)筛子过筛后制得，然后 将其放人电热恒温鼓风干燥器中，在105"C下干燥24h。高密度聚乙烯(HDPE)由中国石化 子石油化工股份有限公司购得，材料型号为5306J，白色颗粒，颗粒尺寸约2。3mm，密度扬 约为 0(955-0(9629,em3。相容剂为马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)，型号为HD900E，由南京华 技实业有限公司购得，外观为白色颗粒，颗粒粒径约2,3mm;再生胶粉由南京东浩胶 都科 粉有限 公司购得，黑色粉末状，有40目、60目、80目和120目四种不同的粒径。玻璃纤维 城玻纤有限公司购得，无碱无捻粗纱。 由南京嘉 2(2实验设备 实验所使用的主要设备有:往复式单螺杆柔性挤出机，CM一30型，南京诚盟化工机械有 限公司;高速混合机，SHR一10A型，张家港市亿利机械有限公司;电热恒温鼓风干燥器， DHG一9140型，上海精宏实验设备有限公司;塑料注射成型机，HTF86×l型，宁波海 天集团 股份有限公司;SANS微机控制电子万能拉力试验机，CMT5105型，深圳新三思计量技 限公司;熔体流动速率仪，XNR-400型，承德金建检测仪器有限公司;悬臂梁冲击试术有 XJU-5(5型，承德金建检测仪器有限公司;缺口制样机，XQZ—I型，承德金建检测仪验机， 器有限公 司;电子天平，I"5000型，常熟双杰测试仪器厂。 ?2QQ鱼复盒盐抖堑堂愿 2(3WPC的制 备， 将上述干燥后得到的术纤维、HDPE粒子，MAPE(木纤维含量为30,，MAPE含 纤维的10,)分别与玻璃纤维(2,，4,，6,和8,)以及冉生胶粉(不同含量5,，10,， 量为木 15,和 20,，不同目数4()目，60目，80目和120目)按一定比例在高速混合机中以高速机械混合3分钟后，再以低速混合2分钟，从而得到均匀混合物。将各种混合物分别放人往复式单螺杆 柔性挤出机中挤出造粒，得到WPC粒子，然后放置于电热恒温鼓风干燥器中，在105。C下燥24h。 干 将上面制得的WPC粒子放入塑料注射成型机中，注塑成型，每种配方各制出5个拉 试样以及5个冲击试样，所有试样置于室温下72h，以去除加工过程中的残余应力。伸 2(4性能测试 将上面制得的试样按照ASTM D256 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进行拉伸性能和冲击性能D638和ASTM 试。拉伸性能测试在SANS微机控制电子万能拉力试验机上进行，试样宽度为13ram，的测 厚度为 3(3ram，跨距为115mln，拉伸速度为5mm,min，开始计时的预张力:0(1mm,mm?min。冲击性能 测试首先在缺口制样机上制出2(5mm*1(4mm的缺口，然后在悬臂梁冲击试验机上 试，试样宽度为10mm，厚度为3(3ram。每组配方5个试样，测出后取平均值用于j亥进行测 合材料的性能分析。 组配方复 取拉伸试样的断口通过扫描电子显微镜进行断口形貌分析。实验前，首先在试样表面喷 kv。 涂一层厚度约100 nm的金涂层，探针电流为1(85A，工作电压为20 取109粒料在熔体 190?，载荷2(16Kg。 流动速率仪上进行熔融指数测定，温度为 3、结果与分析 3(1力学性能 3(1(1拉伸性能 图1为gTC断裂延伸率与木纤维含量的关系，从图中可以看出，随着木纤维含量的增 加，断裂延伸率呈下降趋势，当木纤维含量为30,时，断裂延伸率为5(95,，与纯HDPE相 下降较多。这说明了木纤维的加人对WPC的断裂延伸牢的影响比较大，在木纤维含比 量为 30eo,,I(几乎已经是脆性断裂。图2为WPC拉伸强度与木纤维含量的关系。从图中可以看 出，随着木纤维含量的增加，拉伸强度总体呈上升趋势，在20,时达到最大值23(70MPa， 纯HDPE相比增加了约27(1,。这说明木纤维的加入对wPc的扣伸强度有所增强。 与 定 * 一 格 { 世 堡嘟 删 碟 擘 鼎 齿 ?0 30 40 D 20 40 10 20 30 未纤维耆量f,l 束纤维耆量(,I 图2 WPC拉伸强度与木纤维含量的关系图1 wPc断裂延伸率与本纤维含量的关系 B廛恿班嚣一 图3为WPC断裂延伸率与玻纤含量的关系，从图中可以看出断裂延伸率在上下波 动， ?当玻纤含量为2,时，断裂延伸率达到最大值为6(48,，与不添加玻纤的同种材料相比增加 了约8，9,，幅度不是很大。图4为wPc拉伸强度与玻纤含量的关系，从图中可以看出。随着 玻纤含量的增加，拉伸强度有一定的波动性，当含量在4,时达到最大值24(01，与不添加玻 纤的同种材料相比增加了约9-3,。由图3。4可以看出，玻纤含量在6,和8,时，断裂延伸率 及拉伸强度均有所下降，这说明这两种成分没有起到增强WPC的效果;玻纤含量在2,时 断 裂延伸率及拉伸强度都有所上升，不过拉伸强度所增加幅度很小，基本可以忽略;玻纤含量 在4,时在断裂延伸率略有下降的基础上，拉伸强度得到了很大程度的提高，对wPC的性 有很大的影响。 能 ; 皇 u 世 毋 般V 垩糌 掣 垂剖 群 疑 „ 玻璃奸维含量(,) 玻璃纤维古量(,) 图3 wPc断裂延伸率与玻纤含量的关系 图4 wPc拉伸强度与玻纤含量的关系 (图5为wPc断裂延伸率与再生胶粉含量的关系，从罔中可以看出，随着再生胶粉含量 的增加，断裂延伸率呈明显的下降趋势，当胶粉含量为5,时，断裂延伸率有最大值为 8(54,，与不添加胶粉的同种材料相比增加了约43(5,，选说明再生胶粉起到了很好的增韧 效果。图6为WPC拉伸强度与再生胶粉含量的关系，从图中可以看出，随着胶粉含量的增 加，拉伸强度呈下降趋势，当胶粉含量为20,时，拉伸强度达到最小值为11(81，与不添 加胶 粉的同种材料相比降低了约46-2,。由图5，6可以看出，当胶粉含量为20,对，断裂延伸率及拉伸强度均有所下降，这说明此成分对WPC的性能没有起到增强效果;当胶粉含量为 5,，10,及15,时，断裂延伸率均有一定的增加，而拉伸强度均有所降低，其中胶粉含量为 5,时，断裂延伸率增加的幅度最大约为43(5,，而拉伸强度降低的幅度也最小约为22(7,。 名 V 垒 ? 替恺 誊 删 鼎 裂 量稿 当 再生胶粉含量(” 再生胶将含量(,) 图5 wPC断裂延伸率与再生胶粉含量的关系 图6 wPc拉伸强度与再生胶粉含量的关系 241 (?2艘?塞鱼挝抖堑选垦 图7为WPC断裂延伸率与再生胶粉粒径的关系，从图中可以看出，随着再生胶粉粒 径 不断变细，断裂延伸率呈先增大后降低再增大的趋势，当胶粉粒径为120目时，断裂延伸 到最大值为7(63,。图8为WPC拉伸强度与再生胶粉粒径的关系，从图中可以看出，随达 生胶粉粒径不断变细，拉伸强度呈先降低后增大的趋势。当胶粉粒径为120目时，拉伸着再 达到最大值为15，93Mpa。由图7，8可以看出，当再生胶粉粒径为120目时，断裂延伸强度 伸强度均达到最大值，说明当胶粉粒径为120目时，能比其他尺寸的胶粉更好的率及拉 WPC 的性能。 增强 8 熹『 一 甜 裂B 丹掣 5 ^96v料是捌群甚 4 3 0 却40 ? 帅 1? 120 0 ? ? 100 ?40 瑚 再生胶粉粒径(目) 冉生胶粉粒径(目) 图8 WPC拉伸强度与再生胶粉粒径的关系 图7 wPc断裂延伸率与再生胶粉粒径的关系 3(1(2冲击性能 图9为WPC冲击强度与胶粉含量的关系，从图中可以看出，随着胶粉含量的增加，冲 强度呈上升趋势，当胶粉含量为20,时，冲击强度达到最大值为6(5?,m2，与不添加胶击 粉的 同种材料相比冲击强度增大了约27(5,。这说明在WPC添加胶粉能有效的提高材料 强度。 的冲击 ? E 王 一 世 鼎 柑 骨 u1u々 1520 再生胶粉含量(,) 图9 WPC冲击强度与胶粉含量的关 系 3(2熔融指数 图10为WPC熔融指数与胶粉含量的关系，从图中可以看出，随着胶粉含量的增加， 融指数呈下降趋势，当胶粉含量为20,时，熔融指数达到最小值为1(29,lOmin，比不添熔 加胶 粉的同种材料下降了约42(9,，说明在WPC加入胶粉后，其流动性明显变差，对其加 工性能 242 B:廛旦班窭? 有一定的影响。图“为WPC熔融指数与玻纤含量的关系，从图中可以看出，随着玻纤含量 的增加，熔融指数呈下降趋势，当玻纤含量为8,时，熔融指数达到最小值为1(29,10min，比 不添加玻纤的同种材料下降了约42(9,，说明在WPC加入玻纤后，其流动性明显变差，加工 性能下降。由图lO，11可以看出，在wPc不管加入胶粉还是玻纤，材料的流动性都会变 加工性能也会下降。 差， 名 0 鲁 毒 < ? 3 o 糕 辐 妲 靶 罐 罐 缝 竣 玻璃纤维含量(,) 再生胶粉含量(,) 图11 wPc熔融指数与玻纤含量的关系图10 WPC熔融指数与胶粉含量的关系 33拉伸断口形貌分析 (b) (al 12WPC图拉伸断口形 貌 图12为添加10,再生胶粉的WPC拉伸断口形貌，从图(a)中可以看出，纤维与树脂 界面结合比较模糊，部分纤维沿轴向断裂，这是属于纤维断裂方式，说明纤维与树脂间的的 合非常紧密，达到纤维断裂极限强度时，仍然未被拔出或脱毡。从图(b)中可以看到粗大的结 纤 维断裂面，树脂与纤维间的界面仍比较模糊，说明两者间的结合状况很好。 4、结束语 本文主要研究了再生胶粉对WPC的增韧作用以及玻璃纤维对WPC的增强作 用。研究 结果表明:在WPC体系中，随着胶粉用量的增加，材料的冲击强度不断增加，断裂伸长率 在243 ?2Q 堕量盒挝抖堑选星 整体增加的情况下不断递减，而拉伸强度却是逐渐下降(这表明胶粉的加入在改善木塑复合 体系的韧性的同时，使得WPC的拉伸强度降低，综合比较后得出5,胶粉含量具有整体最 性能;再生胶粉颗粒的粒径变化对WPC的力学性能有一定的影响，为了获得最佳的力优 学性 能，最好采用粒径为120目的胶粉;玻璃纤维的加入对WPC有一定的增强作用，当含量为 4,时，WPC强度的增加幅度最明显;随着胶粉和玻纤的含量的增加，WPC的熔融指数 降低，流动性变差，给WPC的加工带来了一定的影响。 不断 参考文献: [1】彭思来，蔡红珍，柏雪源(WPC的研究及其发展[J】高校理科研究，2006((2):72—74( [2】唐伟家(国外塑木复合材料的发展趋势叨(国外塑料，2004，22(4):45-46( 【3】滕国敏，张勇，万超瑛等(wPG的界面改性方法叨(2005，33(5):7-9( 【4】殷小春，任鸿烈(对改善WPC表面相容性因素的探讨[J】(塑料，2002，31(4):2-29( 【5]丁筠，薛平，武志怡等(纤维表面处理对PVC,术纤维复合材料性能的影响阴(工程塑料 用，2004，32(9):29—31( Bahman，ke 【6]崔益华，Noruziaan Stephen，Chang Moe，陶杰(再生型WPC的研究U】(南 空航天学报。2005，37(5):587—592( 京航 [7】李凯夫，戴东花，谢雪甜等(偶联剂对WPC界面相容性的影响【J](林产工业，2005，32(3): 24-26( 【8]李岩，张勇，张隐西(高密度聚乙烯，废橡胶胶粉共混物的改性研究珊(塑料与环境，2002，16 (12):83-86( and of waste 【9】AdhidAfib，Ded，Maitis(Reclamation Sei,2000，25: rubber[J1(ProgPolym recycling 909—948( J I K(Resource from used rubber P出一 【10]Marit，Themelis N，Wernick recovery tires[J】(Resources cy，1999，25:179-188( in the united Products 【1 1 】CraigC (Wood-plastic composite states[J1(Forest Journal，2002，52(6): ? lO(23( of R J J，Woodhams [12】Balatinecz T(Wood-plastic composites[J1(Joumal Forestry,1993，91(1 1): 23—26( E W(Wood Part ，Indmk S【13】Susan 6ber，polyolefincomposites[J 】Composites A，2004，(35):321— 326( R of C(Structural dust hmber 【14]Drcuglas properties recycled plastic,saw decking planks【J](Re - and 80urces，Conservation Recycling，2001，31(3):241—251(