PVC基木塑復合材料性能的研究

劉麗娜, 張秀斌

(沈陽化工大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110142)

PVC基木塑復合材料性能的研究

劉麗娜, 張秀斌

(沈陽化工大學材料科學與工程學院,遼寧沈陽 110142)

采用聚氯乙烯和木粉、稻殼粉、果殼粉制備 PVC木塑復合材料.研究木質填料種類、含量和粒徑對復合材料力學性能、流變性能和維卡軟化點的影響.結果表明:木粉含量增加,材料的力學性能下降,表觀黏度增加;維卡軟化點顯著提高:當粒徑為 60目,維卡軟化點由 15份時的 90.1℃升高到 75份時 110.9℃,提高了 23.85%;粒徑減小,力學性能提高.添加量相同時,PVC/木粉體系的維卡軟化點和表觀黏度較高,稻殼粉體系的綜合力學性能最佳.

聚氯乙烯; 木塑復合材料; 力學性能; 流變性能

以木質纖維填料和塑料 (包括廢舊熱塑性塑料)為主要原料,外加一些加工助劑,經過成型加工而制得的復合材料稱為木塑復合材料(wood-plastic composites,WPC).木塑復合材料中有機填料可以鋸末、碎木片、刨花、秸稈、果殼等為原料,經過簡單的干燥粉碎處理得到,來源非常豐富,價格低廉.我國每年木材加工業廢棄的木屑達數百萬噸,大米加工業產生的稻糠數千萬噸,以及每年成千上萬噸被焚燒掉的秸稈,這些都是木塑復合材料中木質材料的廉價原料[1].由于國內 PVC行業發展迅速,龐大的 PVC消費量相應地產生了大量的廢舊 PVC塑料,可這些廢舊塑料的回收利用率還很低,至少 33%的廢塑料成為垃圾[2],給環境造成了很大污染.廢舊 PVC塑料的回收利用可提高其潛在的附加值,減少環境污染,還可降低新產品、新材料的生產成本,實現經濟效益與環境效益的的雙贏.為解決 PVC的污染,我們選用木質纖維填充 PVC樹脂,研制仿木塑料裝飾板材,經擠模壓可替代某些木材制品.熱塑性塑料/植物纖維復合材料在建材、汽車工業、裝飾材料及日常生活用具等方面都有所應用[3],具有廣泛的前景,對復合材料的研究、新產品的開發、新產品利用及環境保護等方面都有極大的意義.

1 實驗部分

1.1 實驗主要原料

聚氯乙烯 (PVC):SG-8,天津勃天化工有限責任公司;木粉:30目、60目、100目;稻殼粉、果殼粉:60目,自制;復合穩定劑、硬脂酸、石蠟、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)均為工業品,市售.

1.2 主要儀器、設備

開放式塑煉機:SK-160B,上海橡膠機械廠;平板硫化機:XLB-DQ 400×400×2E型 25 t,青島第三橡膠機械廠;微機控制電子萬能實驗機: RGL-30A,深圳市瑞格爾儀器有限公司;懸臂梁沖擊實驗機:XJU-22,河北承德試驗機廠;毛細管流變儀:XLY-Ⅱ型,吉林大學科教儀器廠.

1.3 復合材料制備

將自制的木粉、稻殼粉、果殼粉在 120℃烘箱內干燥 6 h;將 PVC和DOP復合穩定劑、硬脂酸、石蠟在高速混合機里混合均勻,備用.

將混合好的 PVC和木粉 (稻殼粉、果殼粉)混合,在塑煉機上塑化,混煉 8 min,出片后于平板硫化機上模壓成型,然后在另一臺平板硫化機上、在同等壓力下冷壓,取出模壓片材,在橡塑沖片機上裁制用于性能測試的標準試樣.

1.4 性能測試

拉伸強度 (斷裂伸長率):拉伸速度 5 mm/ min,參照 GB1040-1992;彎曲強度:實驗速度 5 mm/min,參照 GB/9341-2000;沖擊強度:無缺口沖擊,參照 GB/1043-93;維卡軟化點:參照 GB/ 1633-2000;在 XLY-Ⅱ型毛細管流變儀上 (長徑比 20/1)測試復合材料的流變性能.

2 結果與討論

2.1 木塑復合材料力學性能的研究

2.1.1 木粉含量及粒徑對木塑復合材料力學性能的影響

圖 1為 30目、60目、100目木粉含量對木塑復合材料力學性能的影響,同時比較粒徑對復合材料力學性能影響.由圖 1可以看出:隨著木粉含量的增加,木塑復合材料的力學性能曾顯著下降趨勢.粒徑為 100目,填充量從 15份到 75份,拉伸強度和彎曲強度分別由 36.88 MPa和89.93 MPa下降到 24.91 MPa和 67.53 MPa.隨著木粉粒徑變小,復合材料的力學性能提高,彎曲強度變化顯著,填加 30份時,粒徑由 30目減小到100目,彎曲強度由 72.77MPa提高到 83MPa.

圖 1 木粉含量及粒徑對木塑復合材料力學性能的影響Fig.1 Effects ofwood flour content and particle size on mechanical properties ofWPC

這是因為剛性的木粉與樹脂基體間黏結不牢,界面強度低,在外力作用下容易造成木粉和樹脂脫離,因而,木塑復合材料力學性能下降[4].復合材料的材料力學性能隨著木粉粒徑的減小而增大,尤其在 100目時,彎曲強度有較大提高.是因為纖維的活性主要取決于纖維素分子的羥基,這些羥基形成了分子內氫鍵或分子間氫鍵,使纖維表現出較強的極性和親水性[5].而PVC為弱極性聚合物,具有疏水性,PVC基體與木粉間的界面潤濕性、界面黏合性極差[6],在木粉界面上很容易形成空洞缺陷,填料顆粒與基體界面脫開后形成空穴,填料顆粒粒徑越大,產生的空穴越大,較大的空穴會導致材料迅速斷裂[7].相對于長度較長的木纖維 (30目),短的木纖維(100目)給予 PVC基體更符合要求的強度和韌性.加工過程中,短纖維的相互纏繞較少,并且具有更強的抗破壞能力,因此,短纖維基本上能保持住他們的特性.此外,復合材料中質量分數相同的短纖維的比表面積更大,使之與基體的結合力增大,分散混合更均勻,從而改善力學性能.

2.1.2 木質填料種類對木塑復合材料力學性能的影響

圖 2為 60目木粉、稻殼粉和果殼粉含量對木塑復合材料拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和斷裂伸長率的影響.

圖 2 木質填料種類及含量對木塑復合材料力學性能的影響Fig.2 Effects of the kind and content ofwoodiness fillers on mechanical properties ofWPC

由圖 2(a)、(b)、(c)、(d)可以看出:隨著木粉、稻殼粉和果殼粉含量的增加,復合材料的力學性能曾顯著下降趨勢.稻殼粉體系的拉伸強度和斷裂伸長率高于木粉和果殼粉體系,果殼粉體系的沖擊強度稍高些,而彎曲強度較低,稻殼粉的綜合性能最好.

木質填料在填充塑料中填料作為分散相,實際上是被分割在基體樹脂構成的連續相中.在外力作用下基體樹脂從填料顆粒表面被拉開,因承受外力的總面積減小,所以填充塑料的拉伸強度較未填充體系有所下降.這是由于稻殼粉、木粉和果殼粉均為纖維素類填料,主要由纖維素和少量的木質素及其它化合物組成,但纖維素的含量不同.理論上纖維長度越長,拉伸強度越大.界面剪切強度越大[8],拉伸強度也越大.而界面剪切強度與相容性有關,相容性越好,界面剪切強度越大.因此,相容性和纖維長度是復合材料機械性能的決定因素.在相同的填充量情況下,復合材料的拉伸強度稻殼粉的要稍高于木粉和果殼粉.這和稻殼粉顆粒的幾何形狀有關,稻殼粉顆粒有較大的長徑比,對 PVC起到一定的增強作用;而果殼粉則長徑比小些,對 PVC的增強作用相對差些.

在相同填充量的情況下,填充體系的沖擊強度稻殼粉的低于果殼粉,這與稻殼粉中高纖維素含量有關.纖維素類填料的加入增加了 PVC的剛性,使材料變脆,沖擊強度降低.稻殼粉中纖維素含量高,因而沖擊強度下降的較大.

2.2 木塑復合材料維卡軟化點

圖 3為 30目、60目、100目木粉和 60目木粉、稻殼粉、果殼粉含量對木塑復合材料維卡軟化點的影響.

圖 3 木粉、稻殼粉和果殼粉含量對木塑復合材料維卡軟化點的影響Fig.3 Effects ofwood flour,rice hull powder,shell flour content on VST ofWPC

由圖 3(a)可以看出:隨著木粉填充量的增加,木塑復合材料的維卡軟化點顯著提高,木粉粒徑對維卡軟化點的影響不顯著,粒徑為 60目,復合材料的熱變形能力較好,由 15份時的 90.1℃升高到 75份時的 110.9℃.這是因為木粉顆粒屬于天然高分子纖維,它是一種剛性材料,在高溫下變形較小.當木粉含量增加時,木粉在體系中的體積比升高,復合材料的剛性增大,模量升高.同時,PVC大分子鏈的各運動單元由于受到木粉顆粒的限制,熱運動能力變差,減少了PVC大分子鏈因溫度升高而蜷曲的傾向,材料的黏度升高,材料的耐熱變形能力提高.

由圖 3(b)可以看出:隨著木粉、稻殼粉和果殼粉填充量的增加,復合材料的維卡軟化點呈顯著上升趨勢.這是因為木粉的剛性較稻殼粉高,稻殼粉較果殼粉高,因此,填充 PVC基體時,木粉體系的模量最高,因此維卡軟化點高.

2.3 木塑復合材料流變性能的研究

2.3.1 填料含量對木塑復合材料表觀黏度的影響

圖 4為 200℃時 30目、60目、100目木粉和60目木粉、稻殼粉、果殼粉含量對木塑復合材料表觀黏度的影響.

由圖 4(a)可以看出:隨著木粉填充量的增加,復合材料的表觀黏度逐漸增大;隨著粒徑的減小,體系的表觀黏度增大.Einsteints曾研究了填料含量對填充體系黏度的影響,并給出了下列方程式:η=η1(l+Kgv2).式中:η1為無填料時的黏度,v2為加入填料后的黏度,Kg為填料常數.對于球形填料Kg的值可取 2.5,因此,隨填料含量的增加[9],流動性變差,體系黏度升高;由于木粉粒徑變小,比表面積變大,接觸面積也增大,摩擦力升高,阻礙了 PVC分子鏈逐運動,因此,流變性能變差,體系的黏度升高.

圖 4(b)為 200℃時,60目木粉、稻殼粉、果殼粉填充量對復合材料表觀黏度的影響.由圖4(b)可以看出:隨著木粉、稻殼粉、果殼粉含量的增大,體系的表觀黏度增大;填加木粉體系的黏度最高,果殼體系的表觀黏度較低,流動性較木粉和稻殼粉體系好.這是因為果殼體系填充料使用的果殼粉由核桃和栗子果殼經機械粉碎而得,由于含木質素較多[10],故流動性較木粉和稻殼粉體系好.

圖 4 木粉、稻殼粉、果殼粉填充量對木塑復合材料表觀黏度的影響Fig.4 Effects ofwood flour,rice hull powder,shell flour content on apparent viscosity ofWPC

2.3.2 木塑復合材料表觀黏度與切應力的關系

圖 5為 200℃時木質填料為 45份和 75份時,PVC和 PVC木塑復合材料表觀黏度與切應力的關系曲線.

由圖 5(a)、(b)可以看出:隨著剪切力的增大,木塑復合材料體系的黏度降低.與 PVC體系相比,加入木粉、稻殼粉、果殼粉體系的切應力對復合材料的表觀黏度影響較大.

這是因為 PVC和 PVC木塑復合材料為非牛頓流體,在剪切應力的作用下,鏈段運動破壞原有的纏結,自身相互纏繞的 PVC分子鏈逐漸解纏結及 PVC稻殼粉機械互鎖后的解纏,并沿一定方向逐漸取向,降低了流動阻力,使熔體的表觀黏度下降;PVC為剛性高分子鏈,所以,復合材料的表觀黏度隨切應力增加,下降幅度小.由于實驗使用的木粉、稻殼粉、果殼粉顆粒粒徑較大,自身密度小,木質填料在體系中所占體積比增大,隨切應力的變化,對高分子鏈段運動影響較大,因此,表觀黏度的變化范圍較大.

圖5 200℃木塑復合材料表觀黏度與切應力的關系曲線Fig.5 200℃curve of apparent viscosity with shear stress ofWPC

3 結 論

(1)隨著木粉含量的增加,復合材料的力學性能下降,維卡軟化點和表觀黏度曾顯著上升趨勢,加工性變差;在相同木粉填充量情況下,木粉粒徑減小,復合材料的力學性能提高,維卡軟化點無明顯變化,表觀黏度增大.

(2)填加木粉、稻殼粉、果殼粉制備 PVC復合材料,稻殼粉體系的綜合力學性能最佳,拉伸強度尤為顯著,木粉體系的維卡軟化點和黏度最高,加工性差;填加木質填料,復合材料表觀黏度較 PVC表觀黏度對切應力敏感.

[1] 方明鋒,黃華.木塑復合材料的研究及應用[J].現代農業科技,2009(3):8-14.

[2] 陳智修.PVC木塑復合材料的性能及應用[J].聚氯乙烯,2007(8):45-46.

[3] 李興艷,吳章康.木塑復合材料生產工藝與發展前景[J].林業建設,2008(5):32-34.

[4] 孔展,張衛勤,方呂,等.PVC/木粉復合材料的性能研究[J].塑料工業,2005,33(10):17-20.

[5] Charles EW,Jam esW S,Charles A D.聚氯乙烯手冊[M].喬輝,丁筠,盛平厚,譯.北京:化學工業出版社,2008:204-206.

[6] 谷亞新,劉運學,范兆榮,等.木粉/聚氯乙烯復合材料的研制[J].沈陽建筑大學學報,2007,23(2): 263-266.

[7] 劉曉明.聚氯乙烯改性與加工[M].北京:中國輕工業出版社,1998:46.

[8] 吳培熙,張留城.聚合物共混改性[M].北京:中國輕工業出版社,1998:218.

[9] 曾漢民.樹脂基復合材料界面工程[M].北京:清華大學出版社,1990:271.

[10]山西省化工研究所.塑料橡膠加工助劑 [M].北京:化學工業出版社,2002:614.

Studies on Properties of PVC Based Wood/Plastic Composite Material

L IU L i-na, ZHANG Xiu-bin
(Shenyang U niversity of Chem ical Technology,Shenyang110142,China)

PVC/W ood Plastic Composite(W PC)was prepared by PVC and w ood flour,rice hull pow der and shell flour.The effects of the kind,content and particle size of w oodiness fillers on the m echanical properties,rheological property and V icat temperature softening point w ere discussed.The results show ed that with increasing the w ood flour content,the m echanical properties w ere decreased,and the apparent viscosity and V icat softening temperature point of W PC w ere increased significantly.The V icat softening temperature point(VST)of W PC was increased from90.1℃ to110.9℃w hen content increased from 15phr to75phr,and particle size was60m esh.VST was increased by23.85%.The m echanical properties w ere increased with the decrease of the particle size of w ood flour.The V icat softening temperature point and apparent viscosity of PVC/W ood-flour Composite w ere higher and the comprehensive m echanical properties of PVC/R ice Hull Composite w ere best with the sam e addition am ount.

PVC; w ood plastic composite; m echanical properties; rheological behavior

TQ325.4

A

1004-4639(2010)03-0228-06

2009-10-19

劉麗娜(1985-),女,遼寧新民人,碩士研究生在讀,主要從事高分子材料的填充改性研究.

張秀斌(1959-),男,遼寧沈陽人,教授,主要從事高分子材料的填充、共混改性研究.