廢棄天然纖維增強高密度聚乙烯復合材料性能研究

龍洪生，薛 平，丁 筠，劉新陽

（北京化工大學塑料機械及塑料工程研究所，北京100029）

0 前言

纖維增強聚合物基復合材料具有強度高、模量大、質量輕的優點，被廣泛應用于航天業、汽車工業、建筑業等各種場合。傳統的結構用纖維增強復合材料使用的纖維主要為碳纖維、玻璃纖維等。但是，碳纖維、玻璃纖維生產過程伴隨較大的環境污染和資源消耗，且價格昂貴、回收困難。在循環經濟、可持續發展的政策引導下，環境、資源及能源的保護研究與技術開發的要求越來越強烈，現有制品的循環再利用、新的天然可再生資源的開發與研究顯得越來越重要［1］。

中國是世界產竹大國，竹漿纖維原料已經在紙品加工和紡織加工中得到廣泛的應用［2］。在造紙加工過程中，會產生大量的竹材剩余物，如竹屑等。傳統處理方式是生產動物喂養飼料、人造板、菌類培養料或焚燒等，其中一些方法會對環境造成二次污染，并且普遍經濟效益較低。同時我國天然麻纖維的產量居世界前列，苧麻紡織業也是一個優勢產業，在苧麻纖維紡織過程中，每生產1t紗線將有約1.22t落麻產生，這些大量堆積的原料加工剩余物迫切需要解決循環利用問題。因此利用廢棄天然纖維與熱塑性塑料生產復合材料，有助于實現變廢為寶，追求資源經濟價值最大化［3］。

本文利用廢棄苧麻落麻纖維和竹屑纖維，采用雙螺桿熔融擠出工藝制備天然纖維增強PE－HD 復合材料，并注射成型標準測試樣條，評價2種天然纖維增強PE－HD 復合材料的性能，為企業如何實現廢棄天然纖維材料綜合利用和工業化回收提供借鑒和參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PE－HD，擠出 級，熔體流動 速率0.8g／10 min，市售；

馬來酸酐接枝聚丙烯，CMG9801，上海日之升新技術發展有限公司；

硅烷偶聯劑，KH550，市售；

苧麻落麻纖維，紡織廢棄纖維，湖北嘉魚富仕紡有限公司；

竹屑纖維，平均粒徑250μm，貴州赤天化紙業股份有限責任公司。

1.2 主要設備及儀器

高速混合機，SHR－25A，張家港三興江帆機械廠；

雙螺桿擠出機，KS20，昆山科信橡塑機械廠；

注射成型機，TT1－90F2，東華機械有限公司；

烘箱，LH401BA，天津市華北實驗儀器有限公司；

萬能力學試驗機，XWW－20，承德市金建檢測儀器有限公司；

光學顯微鏡，JTVMS－1510T，上海皆準儀器設備有限公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），S－4700，日本HITACHI公司。

1.3 樣品制備

2種天然纖維分別先用纖維質量含量1%的KH－550硅烷偶聯劑在高速攪拌狀態下處理，隨后將表面處理過的天然纖維在120 ℃烘箱中烘干1.5h，然后將處理好的2種廢棄天然纖維與PE－HD 樹脂在高速混合機中按不同比例混合后，加入雙螺桿擠出機中造粒，從加料口到出口，機筒溫度分別為160、165、170、175、165 ℃，再將所得粒料充分干燥后用注塑機中在同樣工藝條件下制備樣條；在研究纖維含量對復合材料影響的實驗中，苧麻落麻纖維和竹屑纖維含量分別為0、5%、10%、15%和20%，馬來酸酐接枝聚丙烯含量固定為10%。

1.4 性能測試與結構表征

光學顯微鏡分析：將平均粒徑250μm 的竹屑纖維和苧麻落麻纖維分別加以整理，均勻放置在載玻片上，蓋上蓋玻片，置于數碼光學顯微鏡的載物臺，在15 倍物鏡和4倍目鏡下拍照；

熔體流動速率按照GB／T 3682—2000測試，溫度為190 ℃，負荷為2.16kg；

拉伸性能按照GB／T 1040—2006進行測定，拉伸速率為20mm／min；

彎曲性能按照GB／T 9341—2000進行測定，彎曲速率為10mm／min；

SEM 分析：試樣斷面用液氮脆斷并真空噴金處理后用SEM 觀察拍照。

2 結果與討論

討論纖維含量、纖維形態對苧麻落麻纖維和竹屑纖維增強PE－HD 復合材料流動性和力學性能（拉伸性能和彎曲性能）的影響以及微觀斷面形貌的分析。

2.1 原料形貌分析

由圖1 可知，竹屑纖維呈短而粗，且截面不規則，長徑比?。黄r麻落麻纖維呈細長形，長徑比大，纖維不易分散，多團聚雜亂分布。竹屑纖維長徑比小于苧麻纖維，易于在樹脂基體中分散，但是其長度遠小于麻纖維，因此可能會降低對樹脂的增強效果。

圖1 竹屑纖維和苧麻落麻纖維的光學顯微鏡照片（×60）Fig.1 Optical micrographs of bamboo residue and ramie noil fiber（×60）

2.2 熔體流動速率

一般常用熔體流動速率來表示材料的加工流動特性。影響復合材料流動性的因素主要有以下幾個方面：（1）隨纖維含量的增加，基體樹脂的含量相對減少，而且纖維之間相互纏繞現象也隨纖維含量的提高而加劇，使復合材料的流動性下降；（2）纖維越細，熔體的流動性越好［4］。因此復合材料的熔流動速率出現迅速下降的趨勢（圖2）。由于苧麻落麻纖維相對竹屑較細，所以PE－HD／苧麻落麻纖維熔體的流動性要高于PEHD／竹屑纖維。

2.3 拉伸性能

圖2 不同纖維含量復合材料的熔體流動速率Fig.2 Influence of fiber content on the melt index of the composite

圖3 纖維含量對復合材料拉伸強度的影響Fig.3 Influence of fiber content on the tensile strength of the composite

由圖3可知，復合材料拉伸強度總的變化趨勢為，隨纖維含量升高，先升高而后趨于穩定。但是，苧麻落麻纖維含量低于10%時，復合材料的拉伸強度反而低于PE－HD，起不到增強的作用。這是由于所使用增強體為廢棄回收天然纖維，纖維相互纏繞。當纖維／樹脂質量比較小，纖維不能達到理想分散狀態，在材料內部易產生缺乏纖維的區域，尤其容易在纖維纏結處形成應力集中，降低復合材料的力學強度［5］。當纖維／樹脂質量比提高到一定程度，纖維容易貫穿整個材料，就可以一定程度上克服上述缺陷。若天然纖維過多，復合材料的強度也較差。這是因為隨著纖維含量的增加，復合材料流動性較差，成型過程中對纖維造成很大的機械損傷，且過多纖維會纏繞或堆積，基體樹脂難以滲透，使得復合材料的組成局部不均勻，形成缺陷，導致復合材料的強度降低。

比較2 種纖維的增強效果，雖然纖維含量低于15%時，PE－HD／竹屑纖維的拉伸強度高于PE－HD／苧麻落麻纖維，但是，繼續增加纖維含量，竹屑纖維復合材料拉伸強度趨于穩定，當纖維含量為15%時，拉伸強度達到最大值，提高了11%；而PE－HD／苧麻落麻纖維的拉伸強度繼續顯著提高，當纖維含量為20%時，拉伸強度提高了21%，且有可能繼續上升。2種纖維復合材料拉伸性能表現不同，取決于多種因素，如不同纖維尺寸、纖維強度以及纖維與基體的相容性等。總體來說，PE－HD／苧麻落麻纖維的拉伸性能優于PEHD／竹屑纖維復合材料。

由圖4可看出，隨著纖維含量的增加，斷裂伸長率總的趨勢逐漸減小。這是因為，纖維的加入，阻礙了拉伸過程中聚合物分子鏈的取向變形。值得注意的是，當纖維含量為5%時，PE－HD／苧麻落麻纖維斷裂伸長率達到最大值58%，比純PE－HD 提高41%。同時從圖4還可看出，當加入同等含量纖維時，PE－HD／苧麻落麻纖維的斷裂伸長率都高于PE－HD 竹屑纖維。

圖4 纖維含量對復合材料斷裂伸長率的影響Fig.4 Influence of fiber content on the elongation at break of the composite

2.4 彎曲性能

圖5 纖維含量對復合材料彎曲強度的影響Fig.5 Influence of fiber content on the flexural strength of the composite

由圖5可知，隨纖維含量的提高，復合材料彎曲強度都有所提高。雖然廢棄纖維長度尺寸分布較寬，但是天然纖維具有較高的比強度和比模量，以及一定的長徑比，具有增強效果。通過分析比較可知，竹屑纖維含量為15%時，彎曲強度達到最高，相對PE－HD 提高29.8%，繼續增加竹屑纖維，竹屑纖維復合材料彎曲強度略有下降。而苧麻落麻纖維含量為20%時，彎曲強度提高41.9%，按曲線的發展趨勢，苧麻落麻纖維復合材料的彎曲強度還有可能繼續增加。

由圖6可知，當纖維含量低于10%時，復合材料的彎曲模量比基體PE－HD 略低；高于10%后，纖維對PE－HD 的彎曲模量具有一定增強效果，當纖維含量為15%時，2 種纖維復合材料彎曲模量都達到最大值，PE－HD／苧麻落麻纖維彎曲模量比PE－HD提高了48%，而PE－HD／竹屑纖維的彎曲模量卻只提高8%。所以，苧麻落麻纖維提高彎曲模量的效果更為明顯。

圖6 纖維含量對復合材料彎曲模量的影響Fig.6 Influence of fiber content on the flexural modulus of the composite

2.5 微觀形貌分析

為了研究2種纖維增強PE－HD 的微觀形態結構，分別對含量為5%和20%的2種天然纖維復合材料試樣進行SEM 觀察，結果如圖7所示。

從圖7（a）可以看出：竹屑纖維與基體之間的界面清晰，斷面多有竹屑纖維拔出后的空腔，且拔出的竹屑纖維表面光滑無PE－HD 包裹，說明界面黏結效果差，但竹屑纖維分散、分部較均勻。從圖7（b）可以看出：苧麻纖維拔出現象相對較少，多為纖維斷裂和纖維與基體撕裂，但纖維間相互纏繞，分部不均，影響試樣力學性能。所以，當纖維含量為5%時，可觀察到苧麻落麻纖維復合材料的力學性能低于竹屑復合材料。從圖7（c）可觀察到，當竹屑纖維含量增加到20%時，出現明顯的團聚現象，從圖7（d）可知，隨著苧麻纖維含量的增多，苧麻纖維分散效果明顯提高，這是由于樹脂流動性下降，提高了加工過程中熔體對苧麻纖維的剪切作用，從而更好打開纖維間的纏繞點。這也印證了力學測試結果，當纖維含量為20%時，苧麻落麻纖維增強復合材料的力學性能反而超過了竹屑纖維增強復合材料。

圖7 天然纖維增強PE－HD復合材料斷面SEM 照片Fig.7 SEM for various PE－HD／fiber composites

3 結論

（1）當纖維含量高于10%時，苧麻落麻纖維和竹屑纖維都可以有效提高PE－HD 的拉伸強度、彎曲強度和彎曲模量；

（2）PE－HD／苧麻落麻纖維的拉伸性能和彎曲性能明顯優于PE－HD／竹屑纖維復合材料；PE－HD／苧麻落麻纖維的拉伸強度最高提高了21%；而PE－HD／竹屑纖維只提高了11%；對于彎曲模量來說，纖維含量為15%時，PE－HD／苧麻落麻纖維彎曲模量比PE－HD 提高了48%，而PE－HD／竹屑纖維比PE－HD 高約8%。

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