聚烯烴/天然纖維復合材料的研究

摘要：利用經過預處理的木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣與高密度聚乙烯、聚丙烯制備了聚烯烴／天然纖維復合材料，并研究了其力學性能、熱變形溫度與相態結構。結果表明，木粉復合材料力學性能最高，甘蔗渣復合材料次之，稻草復合材料和稻糠復合材料稍差； 顯微成像表明經合適預處理的纖維在樹脂中分布均勻。該法制備的新型復合材料是應用天然纖維的一種有效方法。

關鍵詞：天然纖維；聚烯烴；預處理；性能

中圖分類號：ＴＱ３２５．１４；ＴＱ３２７．８文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）16－3375-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ ／ Ｎａｔｕｒａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＬＩ Ｘｕｅ－ｆｅｎｇａ，ＹＡＮ Ｈａｎｂ，ＨＵ Ｂｏａ

（ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ ａｎｄ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，

Ｗｕｈａｎ ４３００６８， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ ／ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｗｏｏｄ ｆｌｏｕｒ， ｒｉｃｅ ｂｒａｎ， ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｂａｇａｓｓｅ by pretreatment ｗｉｔｈ ＨＤＰＥ ａｎｄ ＰＰ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｏｏｄ ｆｌｏｕｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｈａd ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｆｏｌｌｏｗｅｄ ｂｙ ｂａｇａｓｓｅ， ａｎｄ ｓｔｒａｗ ａｎｄ ｒｉｃｅ ｂｒａｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｌｅｓｓ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｔｅｓｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅd ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ were ｕｎｉｆｏｒｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔed ｂｙ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ． Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ was an ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｕｓｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｎａｔｕｒａｌ ｆｉｂｅｒ； ｐｏｌｙｏｌｅｆｉｎ； ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ； ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ

天然纖維復合塑料主要是由纖維素材料（包括木粉、竹粉、稻糠、稻草、麥草、棉花秸稈、甘蔗渣、麻稈、玉米秸稈等）和樹脂復合而成，一般天然纖維由纖維素、半纖維素和木質素3類物質組成，其中纖維素可占一半以上。該復合材料具有顯著的優點：相對密度比玻璃纖維小，加工能耗低，對設備磨損小；資源豐富，節約木材，節能環保。目前用天然纖維填充的塑料制品已應用在建材、家具、包裝材料、裝飾材料等領域，特別是近年來從防治病蟲害傳播角度考慮，減少了用木材作為包裝材料，而使用天然纖維填充制成的復合塑料制品，其市場越來越大。同時人們對不同的天然纖維填充塑料的結構與性能的研究也產生了很大的興趣［１－４］。我國生物質原料很豐富，僅農作物秸稈（包括玉米秸稈、小麥秸稈和稻草等）每年高達７億ｔ。只有其中一小部分秸稈被用作飼料、造紙等用途，還普遍存在著原料利用率低的問題。每年約有２億ｔ秸稈被就地焚燒，造成了巨大的資源浪費和嚴重的環境污染［５，６］。因此這里分別使用４種不同的天然纖維（木粉、稻糠、稻草及甘蔗渣）與高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）復合做成聚烯烴／天然纖維復合材料樣品，進行性能測試，以期發現其規律，指導該類復合材料的生產。

１材料與方法

１．１材料

１．１．１材料與試劑ＰＰ（ＰＰＫ８３０３）、ＨＤＰＥ（６１００Ｍ），北京燕山石化公司；天然纖維，采自農業廢棄物；超細滑石粉，８００目滑石粉，遼寧海城市合成微細石粉廠；乙醇，化學純，河南大學化工廠；氫氧化鈉，分析純，武漢市江北化學試劑有限責任公司；硅烷（ＫＨ５７０、ＫＨ５６０、ＫＨ５５０等），武漢華昌有機硅有限公司。

１．１．２儀器與設備ＳＸＫ－１６０Ｂ×３３０型開放式煉膠機，福建永春輕工機械廠；ＺＨＹ－Ｗ型萬能制樣機，ＸＣＪ－４型簡支梁沖擊試驗機，河北承德材料試驗機廠；ＳＬ－４５型壓力成型機，上海第一橡膠機械廠；ＱＬＢ－３５０×３５０×２型平板硫化機，江蘇無錫第一橡塑機械設備廠；ＸＬ－１００Ａ型拉力試驗機，廣州實驗儀器廠；ＣＳ１０１－２型電熱鼓風干燥箱，重慶四達實驗儀器有限公司；ＸＪＺ－６型正置式金相顯微鏡，南京儀器廠。

１．２方法

1.2.1工藝流程復合材料制樣工藝流程如下。

天然纖維預處理→配料→高速混料→混煉→壓片→制樣→性能測試

１．２．2天然纖維的預處理將天然纖維置于１４０ ℃下連續烘干３ ｈ，以除去天然纖維中易揮發、易分解的組分，使天然纖維軟化分離；用合適濃度的ＮａＯＨ溶液浸泡蔗渣４０ ｈ，攪拌揉搓用去離子水沖洗干凈，干燥，磨碎天然纖維過１００目篩。取用乙醇稀釋適量的硅烷復合偶聯劑，與未經過表面處理的天然纖維高速攪拌均勻，置于１００ ℃烘箱中干燥３ ｈ，即為預處理的改性天然纖維。其流程如下。

纖維→烘干磨碎→堿泡→揉搓水洗→表面偶聯→改性纖維

１．２．3復合材料的制備取１００份樹脂ＰＰ或HDＰＥ分別與適量預處理的天然纖維混合均勻，加入５份滑石粉，高速混合５ ｍｉｎ，出料待用。在雙輥開煉機上混合約１０ ｍｉｎ，溫度１８５ ℃。在平板硫化機上熱壓成型，熱壓溫度１９０ ℃，預熱時間 ３ ｍｉｎ，加壓時間 4 ｍｉｎ，壓力１０ ＭＰａ，冷壓５ ｍｉｎ，最后按相應國家標準制備各項性能測試樣條。

１．２．4性能測試拉伸性能按ＧＢ／Ｔ １６４２１－１９９６測試，試驗速度為５０ ｍｍ／ｍｉｎ。抗沖擊性能按ＧＢ／Ｔ １０４３－１９９３測試簡支梁缺口沖擊強度，低溫樣條置于－１５ ℃下冷凍４８ ｈ，取出后馬上測試。彎曲性能按ＧＢ／Ｔ ９３４１－２０００測試，試驗速度為２ ｍｍ／ｍｉｎ。熱變形溫度按ＧＢ／Ｔ １６３４－１９７９測試，升溫速率為

３ ℃／ｍｉｎ。

１．２．5形態分析將試樣切片通過金相顯微鏡做相差觀察，鏡頭放大倍數均為２００倍。

２結果與分析

２．１性能分析

天然纖維材料中纖維素含量越高，利用價值越大。但是木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣這幾種組分中，纖維素、半纖維素、木質素在生長過程中是緊密交織、鑲嵌在一起的。因此，若要加以利用，發揮天然纖維的復合效果，首先要進行預處理。利用機械及化學作用把植物的組織部分打碎和分解，將纖維素、半纖維素、木質素這三大組分盡可能多地同時利用，保證絕大多數資源不被浪費，同時還應減少廢水排出，降低對環境的污染。此外，稻糠和稻草表皮還富集大量的ＳｉＯ２，不利于復合材料的成型，也應除去。纖維揉搓是盡可能地利用物理方法進行搓揉加工，梳理出長短、粗細不同的纖維，提高長徑比，通過該方法處理可以將該類天然纖維制成長度控制在１ ｍｍ以內、長徑比超過５的有機纖維。

纖維素的主要成分是高分子葡聚糖，天然纖維表面存在大量的羥基，羥基具有強親水性，而常用的高分子樹脂一般均為親油性。因此要提高天然纖維與樹脂基體的表面相互作用，必須采用改性的方法。也就是封閉天然纖維表面的羥基，將其從親水性改為親油性，做到與樹脂的相容。

４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料的物理機械性能及熱變形溫度相近（表１）。其中采用稻草纖維和稻糠纖維制備的復合材料的力學性能稍低，這可能與兩種天然纖維中纖維素含量稍低，同時其纖維的長徑比也較低、剛性小有關；采用這兩種纖維所得的復合材料的沖擊韌性均在４～6 ｋＪ／ｍ２，拉伸強度１８～２7 ＭＰａ，其中以木粉復合材料力學性能最高，甘蔗渣復合材料次之，稻草和稻糠復合材料稍差。４種ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料的熱變形溫度均有顯著的提高，并且以稻糠復合材料提高得最為顯著，較稻草纖維高出6.5 ℃。

４種不同的ＰＰ／天然纖維復合材料的物理機械性能及熱變形溫度也較相近（表２），且其變化趨勢與ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料相似。ＰＰ基復合材料與ＨＤＰＥ基復合材料都具備密度低、拉伸強度高、彎曲強度大、力學性能好的特點，是以塑代木的良好備選材料。但是ＨＤＰＥ基復合材料熱變形溫度在１００ ℃左右，對耐熱環境應用不利，而ＰＰ基復合材料熱變形溫度高于１２５ ℃，能適用于室內外絕大多數環境。ＨＤＰＥ基復合材料比較柔軟，室溫及低溫沖擊強度均較ＰＰ基復合材料大，作為代木材料使用時適用于易受沖擊的環境。

２．２相差分析

由圖１中的相差照片可以看出，在４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料中，纖維形態都保留良好，表面的纖維和樹脂分布較均勻，這說明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎樹脂之間的充分浸潤粘合，增強了天然纖維與基礎樹脂之間的黏結性，從而提高了材料的力學性能。天然纖維改性以后，界面黏結性得到了提高，改善了天然纖維在樹脂基體中的分散狀態［７，８］。同時，纖維的長徑比較大，互相容易纏繞，這種分散結構也有利于應力在復合材料中的傳遞。

還可以在圖１ａ中發現復合材料中分散的稻草纖維較其他幾種纖維稍粗大且直徑不太均勻，圖１ｃ中發現分散的稻糠纖維較其他幾種纖維的長徑比稍小。這種不均勻性可能是這兩類天然纖維復合材料的力學性能稍低于木粉纖維的一個原因。

３結論

采用木粉、稻糠、稻草和甘蔗渣４種不同的天然纖維先進行預處理，再與ＨＤＰＥ、ＰＰ復合的方法，成功地制備出聚烯烴／天然纖維復合材料。

４種不同的ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料的物理機械性能及熱變形溫度相近，以木粉填充復合材料力學性能最高，甘蔗渣填充復合材料次之，稻草纖維和稻糠纖維稍差，而稻糠纖維復合材料具備最高的熱變形溫度。ＰＰ／天然纖維復合材料與ＨＤＰＥ／天然纖維復合材料有相似的變化規律。

通過相差分析發現，在天然纖維制備的復合材料中，纖維和樹脂分布均勻，這表明表面改性劑的存在，有利于纖維與基礎樹脂之間的充分浸潤粘合。而稻糠纖維與稻草纖維的質量稍次于木粉纖維與甘蔗渣纖維。

參考文獻：

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