微晶纖維素含量對PE-HD復合材料性能的影響

李宏林,楊桂生,吳玉程

(1.合肥工業大學材料與科學工程學院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖學院化學與材料科學系,安徽巢湖 238000)

微晶纖維素含量對PE-HD復合材料性能的影響

李宏林1,3,楊桂生1,2＊,吳玉程1

(1.合肥工業大學材料與科學工程學院,安徽合肥230009;2.上海杰事杰新材料股份有限公司,上海201109;3.巢湖學院化學與材料科學系,安徽巢湖 238000)

采用熔融共混法制備了微晶纖維素(MCC)含量分別為50%、60%和70%的高密度聚乙烯(PE-HD)/MCC復合材料,研究了MCC含量對其力學性能、流變行為、熱變形溫度和斷口形貌的影響。結果表明,加入MCC能有效提高PE-HD的彎曲強度、彎曲模量和拉伸強度,其中MCC含量為60%時材料力學性能最好;MCC的加入顯著提高了PE-HD的熱變形溫度,且MCC含量為60%時復合材料熱變形溫度最高;PE-HD/MCC復合材料斷口形貌表明MCC在基體中分布較均勻,MCC含量為60%時其與PE-HD基體之間的相容性最好。

微晶纖維素;高密度聚乙烯;復合材料;力學性能;流變行為

0 前言

MCC是由天然纖維素經稀無機酸水解達到極限聚合度的極細微的白色短棒狀無定形或結晶粉末[1],無臭、無味。MCC的生產及應用具有得天獨厚的優勢。在豐富的纖維素資源中,木本植物纖維資源具有可再生性,成本較低,對環境的影響較小,能夠創造較高的經濟效益,對其開發利用是目前材料領域研究的一個方向。A ji[2]等用MCC增強聚乳酸(PLA)制備出生物降解性能優異的復合材料,為MCC的應用開辟了新的領域。

PE-HD是一種結晶度高、非極性的熱塑性樹脂,不吸濕并具有較好的防水蒸汽性,可用于包裝領域。PE-HD具有很好的電性能,特別是絕緣介電強度高,非常適用于電線電纜材料。中到高相對分子質量的PE-HD具有極好的抗沖擊性,在常溫甚至在-40℃下均如此,但其成型收縮率大、耐磨性不足、熱變形溫度不高、不易染色等缺點又限制了其應用范圍。這些缺點可以通過與其他材料共混得到顯著的改善。已有研究者通過添加云母等無機填料[3-6]來改善PE-HD性能并得到很好的增強效果。近年來,隨著人們對環境友好材料的重視,開始研究采用天然植物纖維作填料來制備PE-HD復合材料[7-9],但采用MMC作填料的研究并不多。

本文采用熔融共混法制備了PE-HD/M CC復合材料,研究了M CC含量對復合材料力學性能、流變行為、熱變形溫度和斷口形貌的影響,為 PE-HD/MCC復合材料的加工應用提供一定的理論依據和實驗數據。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE-HD,JH 910,熔體流動速率為7.5 g/10 m in,密度為0.963 g/cm3,韓國大韓油化工業公司;

棉短絨MCC,長約200μm,直徑約20μm,新疆奎屯新大陸化學有限公司;

相容劑,UF-M PE,熔體流動速率為20 g/10 min,廣州源鋒新材料有限公司。

1.2 主要設備及儀器

同向雙螺桿擠出機,SHJ35,長徑比為35,南京杰亞擠出裝備有限公司;

注塑機,HTF60W 1,寧波海天塑機基團有限公司;

電子萬能試驗機,CM T4204,深圳市新三思材料檢測有限公司;

流變儀,ARES,美國Rheometrics公司;

微機控制熱變形維卡軟化試驗機,ZW K1302,深圳市新三思材料檢測有限公司;

掃描電子顯微鏡,JSM-6490LV,日本電子公司。

1.3 試樣制備

按表1配比稱料,采用雙螺桿擠出機共混擠出,MCC采用側加料方式,擠出前原料分別在真空80℃下烘干24 h。螺桿轉速為135 r/min,溫度分別為105、115、130、150、155、175、180 ℃。將得到的粒料和純PE-HD基體分別在注塑機上注射成型,注射溫度180℃、注射壓力35 M Pa。試樣在23℃、相對濕度50%環境中放48 h后備用。

表1 實驗配方表Tab. 1 Experimental formula

1.4 性能測試與結構表征

按照ASTM D790測試PE-HD/MCC復合材料的彎曲強度和彎曲模量,測試速度為1.25 mm/m in;

按照ASTM D638測試PE-HD/MCC復合材料的拉伸強度,拉伸速度為50 mm/min;

按照ASTM D6110測試 PE-HD/MCC復合材料的沖擊強度,擺錘能量為2 J;

采用直徑25 mm平板裝置在壓縮空氣流中測試復合材料的流變性能。測試溫度190℃,剪切頻率范圍為0.5～100 rad/s;

按照ASTM D648測試PE-HD/MCC復合材料的熱變形溫度,升溫速率為120℃/h;

采用掃描電子顯微鏡觀察PE-HD/MCC復合材料沖擊斷面形貌及MCC的分布情況。

2 結果與討論

2.1 PE-HD/MCC復合材料的力學性能

從圖1可以看出,PE-HD/MCC復合材料除了沖擊強度比基體小,彎曲強度、拉伸模量和拉伸強度均比基體有顯著提高,且2#試樣力學性能最突出。這是因為4%界面相容劑在60%MCC的復合材料中發揮了最佳作用,使MCC與基體相容性較其余兩者更好,從而使其表現出更優越的力學性能。可見MCC含量較高的復合材料具有較好的力學性能。

2.2 PE-HD/MCC復合材料的流變性能

從圖2可以看出,2#試樣的黏度、損耗模量和儲能模量是最高的,1#、3#試樣的黏度、損耗模量和儲能模量均比基體低。分析原因可能由于1#、3#試樣添加的MCC與PE-HD基體相容性較差,MCC的存在促進了PE-HD分子鏈的運動,從而表現出比基體較低的黏度、損耗模量和儲能模量;而2#試樣添加的 MCC與PE-HD基體相容性很好,阻礙了 PE-HD分子鏈的運動,從而表現出比基體較高的黏度、損耗模量和儲能模量。

2.3 PE-HD/MCC復合材料的熱性能

從圖3可以看出,PE-HD/MCC復合材料的熱變形溫度比基體高很多。這主要由于MCC是硬質物料,能有效防止基體受熱變形。2#試樣比1#和3#試樣的熱變形溫度高,這可能是由于MCC與PE-HD相容性最好,必須在更高的溫度才能使MCC與PE-HD基體分離發生變形。可見,MCC的加入能有效提高PE-HD基體的使用溫度范圍,且復合材料的熱變形溫度與界面相容性相關。

圖1 PE-HD/MCC復合材料的力學性能Fig.1 Mechanical properties of PE-HD/MCC composites

圖2 PE-HD/MCC復合材料的流變曲線Fig.2 Rheological behavior of PE-HD/MCC composites

2.4 PE-HD/MCC復合材料斷面形貌

從圖4可以看出,MMC在PE-HD基體中分布較均勻,1#和3#試樣中MCC表面較光滑,且與 PE-HD基體之間有較大的間隙,而2#試樣中MCC表面有斷裂時撕扯留下的 PE-HD,且與基體的間隙較小,說明2#試樣中的MCC與基體相容性較好。

圖3 PE-HD/MCC復合材料的熱變形溫度Fig.3 Heat distortion temperatureof PE-HD/MCC composites

圖4 PE-HD/MCC復合材料斷口形貌的SEM照片Fig.4 SEM micrographs fo r morphology of fractured surface of PE-HD/MCC composites

3 結論

(1)MCC含量為60%時,PE-HD/MCC復合材料力學性能最好;

(2)MCC含量為60%時,PE-HD/MCC復合材料具有較高的黏度、損耗模量和儲能模量;

(3)MCC的加入顯著提高了PE-HD基體熱變形溫度,且MCC含量為60%時,PE-HD/MCC復合材料熱變形溫度最高;

(4)MCC在基體中分布較均勻,MCC含量為60%時,與基體的相容性最好。

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Effects of Microcrystalline Cellulose Content on Properties of PE-HD Composites

LI Honglin1,3,YANG Guisheng1,2＊,WU Yucheng1
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;2.Shanghai Genius Advanced Material Co,Ltd,Shanghai 201109,China;3.Department of Chemistry and Materials Science,Chaohu College,Chaohu 238000,China)

High density polyethylene(PE-HD)composites filled with microcrystalline cellulose(MCC)were prepared by melt blending.The effects of MCC content on the mechanical property,rheological behavior,heat distortion temperature and surface morphology were studied.It showed that MCC improved the mechanical properties and the heat distortion temperature.The optical content of MCC was found as 60%,which resulted in a uniform dispersion of MCC in PE-HD matrix.

microcrystalline cellulose;high density polyethylene;composite;mechanical property;rheological behavior

TQ325.1+2

B

1001-9278(2010)10-0043-04

2010-06-30

＊聯系人,ygs@geniuscn.com