表面處理麥秸稈對木塑復合材料性能的影響

安 晶 錢亞杰

（1.鹽城工學院，江蘇 鹽城224051；2.江蘇省宜興中等專業學校，江蘇 宜興214206）

近些年來木塑復合材料逐漸興起，不僅因為它節省了大量的資源，而且也不用開采新的資源[1]。木塑復合材料是一種由木質纖維或植物纖維填充改性熱塑性材料再經工藝擠出壓制或注射成型代替木材或塑料的新型復合材料[2]。研究PP和秸稈復合制成木塑復合材料的文章較多。從麥秸稈和PP兩種成分的性質來看，一種是麥秸稈，其表面含有大量親水性基團的醇羥基，而另一種主要成分是PP，其表面是非極性的[3]。因此讓兩種物質更好的結合在一起，使這種復合材料優于其中任何一種單一材料，成為木塑復合材料發展道路上迫切需要解決的重大問題[4]。張東輝[5]采取3種方法，包括加熱烘干、KH570、NDZ105對稻秸稈粉進行處理來提高兩者的界面相容性；于旻[6]采用NaOH、乙酸溶液浸泡、水熱處理、蒸汽爆破和微波等對麥秸稈纖維進行預處理的方法來提高兩者的相容性，其中所用的麥秸稈與PP的質量分數均為50%，質量比為1：1。本文不同點是在于旻[6]基礎上采用先用NaOH再用乙酸溶液對麥秸稈進行預處理，然后復合偶聯劑法處理麥秸稈，而且麥秸稈的質量分數為25%，PP的質量分數為75%，質量比為1：3，研究表面改性方法和硅烷偶聯劑用量的不同對復合材料拉伸強度、沖擊性能和熔體流動速率的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚丙烯（PP）石油天然氣股份有限公司；麥秸稈，江蘇省鹽城市南洋鎮，高速粉碎機粉碎，90目；KH550硅烷偶聯劑，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要設備

SHR-10A型高速混合機：江蘇張家港市博瑞克械制造有限公司；

150立式塑料成型機：新威機械制造廠；

XJJ-5型沖擊試驗機：72型，上海分析儀器廠；

1.3 秸稈/PP木塑復合材料的制備

1）麥秸稈的表面處理

（1）取秸稈質量1%，2.5%，4%，5.5%，7%的硅烷偶聯劑KH550溶液，與無水乙醇配成體積比為1:6的稀溶液，之后將烘干后的麥秸稈粉放入高速攪拌機中攪拌分多次噴入稀溶液，使溶液充分浸漬秸稈，取出干燥。

（2）將干燥后的秸稈放置在質量分數為5%的NaOH中浸泡，調節PH值至中性，干燥，再用(a)步驟處理。

（3）同（b）方法用質量分數為5%乙酸代替NaOH進行浸泡，沖洗，調節PH值，干燥，再用(a)步驟處理。

（4）將干燥后的秸稈放置NaOH中浸泡，沖洗，調節至中性后，干燥，接著在乙酸中浸泡，沖洗，調節PH值，干燥，再用（1）步驟處理。

2）秸稈/PP木塑復合材料的制備

將處理過的秸稈粉和PP在高速攪拌機中混合，用切粒機造粒，靜置干燥后倒入注射機料斗熔融塑化成型。

1.4 木塑復合材料性能測試及表征

拉伸測試：按照GB/T1040-92以50mm/min速度測出拉伸強度。

沖擊測試：按照GB/T1043-93測量試樣簡支梁沖擊強度。

熔融指數測試：測量10min內標準口模流出的熔體質量。

2 結果與分析

2.1 表面處理和硅烷偶聯劑用量的不同對木塑復合材料拉伸性能的影響

隨著偶聯劑含量的增加，木塑復合材料的拉伸強度先上升后下降，在4%處取得拉伸性能的最高值。這是由于硅烷偶聯劑提高了秸稈纖維與樹脂基體間的界面相容性[7]，增強了復合材料的拉伸性能。在4%之后拉伸強度逐漸下降，原因是多余的硅烷偶聯劑分子之間結聚為多分子形成層，減少了硅烷偶聯劑與聚丙烯樹脂基體之間的有效接觸面積降低了粘合力使界面結合力反而變差，復合材料受力時秸稈纖維易與樹脂基體分開使力學性能降低。不同處理方法對拉伸強度的影響不同，未經酸堿處理僅經過偶聯劑處理試樣的拉伸性能明顯低于其他經過酸堿處理的試樣，而經乙酸處理過的試樣的拉伸性能最佳，因為乙酸能除去麥秸稈表層蠟質和灰分等同時改變麥秸稈表面的PH值[8]，使麥秸稈纖維和聚丙烯樹脂基體間形成很好的黏結界面，而且酸處理能增加麥秸稈纖維表面的自由基濃度，提高其膠結強度[9]。分別經過乙酸和NaOH處理的試樣拉伸強度略微低于僅經過乙酸處理的試樣但高于NaOH處理的拉伸強度，原因是NaOH與麥秸稈中羧基反應降低其分子間粘合力。

2.2 不同表面處理和硅烷偶聯劑用量不同對木塑復合材料沖擊性能的影響

隨著偶聯劑用量的增加復合材料的沖擊性能先增大后減小，并且在4%時沖擊強度最高，這與表面處理的方法導致兩種材料間的相容性不同有關，硅烷偶聯劑在1%～4%時的添加量正好提高兩者之間的界面結合力，而過多的硅烷偶聯劑形成的分子層反而降低了麥秸稈纖維與聚丙烯基體間的結合力[10]。經過乙酸和NaOH處理的試樣沖擊強度略微低于僅經堿處理的試樣但高于乙酸處理的試樣，原因是乙酸將麥秸稈中半纖維素分解成單糖[11]，纖維素含量減少與堿處理相比試樣反應的接觸面少而導致強度降低[12]。

2.3 不同表面改性方法和硅烷偶聯劑用量不同對復合材料熔體流動速率的影響

熔體流動速率隨著秸稈偶聯劑用量的增加逐漸上升，用量在1%～4%上升較明顯，超過4%之后熔體流動速率的增速放緩，可能是由于過多的偶聯劑分子之間聚集形成的多分子層使熔體流動速率受限增速放緩。相比未經NaOH處理的試樣，經酸堿復合處理的試樣軟化點得到明顯的提高，耐熱性能得到提高，經過乙酸、NaOH處理的復合材料熔體流動速率最好，這是因為半纖維素，木質素的分解，導致纖維結晶度降低，提高了秸稈纖維分子的分散性，熔融后流動性得到提高。

3 結論

1）乙酸和偶聯劑復合處理的木塑復合材料拉伸性能最好。

2）NaOH和偶聯劑復合處理的木塑復合材料的沖擊性能最好。

3）經過乙酸、NaOH和偶聯劑復合處理的材料的熔體流動速率最高。

［1］付文,王麗,劉安華.木塑復合材料改性研究進展[J].高分子通報,2010(3):61-65.

［2］朱明源,易紅玲,林珩,等.木塑復合材料的力學性能、微觀結構與流變性能的研究[J].塑料工業,2013,41(2):74-78.

［3］韓學鳳,張鵬,易欣欣.農作物秸稈的綜合利用[J].北京農學院學報,2003,18(3):225-230.

［4］PickeringKL,AbdallaAJiC,etal.Theeffectofsilanecouplingagentson radiatepinefibreforuseinthermoplasticmatrixcomposites[J].CompositesPartA,2003,34(2):915-926.

［5］張東輝,何春霞,等.稻秸稈粉/聚丙烯復合材料力學性能農業[J].農業工程學報.2010,26(7):380-384.

［6］于旻，何春霞,等.不同表面處理麥秸稈對木塑復合材料性能的影響[J].農業工程學報,2012,28(9):171-177.

［7］姚正軍,孟召輝,劉小洪,等.麥秸纖維/聚丙烯復合材料[J].宇航材料工藝,2008,38(3):40-44.

［8］趙志剛,程可可,張建安,等.木質纖維素可再生生物質資源預處理技術的研究進展[J].現代化工,2006:39-42.

［9］韓學鳳,張鵬,易欣欣.農作物秸稈的綜合利用[J].北京農學院學報,2003,18(3):225-230.

［10］黃麗,白繪宇,姜志國,等.表面改性劑對植物纖維/聚丙烯復合材料力學性能的影響[J].北京化工大學學報:自然科學版,2001,28(3):85-87.

［11］趙志剛,程可可,張建安,等.木質纖維素可再生生物質資源預處理技術的研究進展[J].現代化工,2006:39-42.

［12］周娜.生物質糖化技術研究[D].天津大學,2011.