聚酰胺-6/木纖維復合材料的制備與表征

張秀妹(廣東白云學院機電工程學院 廣東 廣州 510450)

聚酰胺-6/木纖維復合材料的制備與表征

張秀妹
(廣東白云學院機電工程學院 廣東 廣州 510450)

本文借助于同向雙螺桿擠出機制備聚酰胺-6/木纖維復合材料，研究木纖維含量對復合材料力學性能、熔體流動速率等方面的影響，結果表明：隨著木纖維含量的增加拉伸強度上升，延伸率下降，沖擊強度下降，物料熔體流動速率下降。

聚酰胺-6；木纖維；木纖維復合材料

1.引言

木纖維是農林業上的副產品，包括桿莖類纖維（木、竹、莊稼秸稈等）、種子類纖維(棉、木棉、蒲絨等)、果實類纖維(椰殼、花生殼、稻殼等)、葉類蘆葦、茅草等)[1-2]。木纖維本身是一種天然高分子材料，具有密度低，降解性好的特點。我國目前對木纖維的利用率非常低，據估計每年有90%木纖維不能被利用[3]，廢棄木纖維的任意排放會造成農村生活環境農業水源的污染，影響農業產品的品質，危害農業生產，傳染疾病，焚燒處理更會造成嚴重的環境污染，利用木纖維與聚酰胺-6（PA-6）復合制成的木纖維復合材料(wood-plasties composites簡稱WPC)則成了木材理想的替代材料，選用木纖維作為PA-6的增強相，進行PA-6/木纖維復合材料的制備主要基于以下幾個原因：（1）木纖維比較廉價，易降解，而且密度小；（2）木纖維具有較高的剛度和強度，以及理想的長徑比；（3）木纖維的多孔性，在一定的工藝條件下，塑料熔體會進入細胞空腔中，從而像鉚釘一樣將纖維和基體連接起來。

國內外學者對木纖維復合材料（WPC）作了大量研究，主要集中在木纖維的表面改性以及塑料與木纖維的界面改性上，而對竹粉、秸稈粉等木纖維增強PA-6的研究較少。本文借助于同向雙螺桿擠出機制備聚酰胺-6/木纖維復合材料，研究木纖維含量對復合材料力學性能、熔體流動速率等方面的影響。

2.復合材料制備及性能測試方法

2.1 原料與設備

2.1.1原料 本實驗所用的實驗原料如表1所示

表1 實驗原材料

2.1.2實驗設備 本課題所用的實驗設備如表2所示。

表2 實驗設備

2.2 配方設計

配方的計量方法主要有質量份數法、質量百分比法及質量比例法，本實驗采用第一種，以配方中主體成分總量的加入量為100質量份，組分以一定的比例搭配，具體配方如表3。

表3 實驗配方

2.3 材料性能測試

2.3.1力學性能測試

2.3.1.1拉伸性能 樣條的拉伸性能測試，按GB/ T1040-1992國家標準試驗條件，在DNS300電子萬能試驗機進行測試，拉伸速度為50mm/min。獲取拉伸強度，斷裂伸長率以及彈性模量的數據。取五次測試平均值進行分析。

2.3.1.2沖擊性能 將測試樣條于室溫下XJJ-50沖擊試驗機上進行沖擊性能測試，按GB/T13525-1992國家標準試驗條件。

2.3.2熔體流動速率 本研究中，將粒料在室溫下加入熔體流動速率儀，設置參數如下表4，進行測試，取五個樣進行稱重去平均值。

表4 熔體流動速率儀參數設置

3.結果與討論

3.1 復合材料對沖擊強度影響

圖1表示木纖維含量對聚酰胺-6/木纖維復合材料缺口沖擊強度的影響。由圖可知隨著木纖維填料用量的增加，缺口沖擊強度呈線性下降。木粉的加入增加了材料的剛性，同時使材料變脆，從而使缺口沖擊強度下降較多。隨著填料的增加，沖擊強度在0～5和10～15明顯下降，說明木纖維的加入改變了樹脂基體的連續性，不利于能量的傳遞和擴散，從而導致韌性下降。而木纖維含量從5份增加到10份時，沖擊強度下降不明顯。

圖1 木纖維復合材料沖擊強度

3.2 復合材料拉伸性能影響

3.2.1拉伸強度 圖2表示木纖維含量對聚酰胺-6/木纖維復合材料拉伸強度的影響。復合材料的拉伸強度隨木纖維含量的增加而增加,木纖維含量在10份左右時，拉伸強度達到最大值。木纖維含量超過10份之后，拉伸強度有所下降。拉伸強度出現極大值說明木纖維用量在一定范圍內對聚酰胺有補強效果。

圖2 木纖維復合材料拉伸強度

3.2.2斷裂伸長率

伸長率和斷面收縮率表示材料斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或斷面收縮率越高，說明塑性越大。圖3表示木纖維含量對聚酰胺-6/木纖維復合材料延伸率的影響。從木纖維含量對聚酰胺-6/木纖維復合材料斷裂伸長率的影響，可以看出隨著木纖維含量的增加斷裂伸長率呈下降的趨勢。

圖3 木纖維復合材料斷裂伸長率

3.3 復合材料熔體流動速率

圖4是木纖維復合材料的熔體流動速率隨著木纖維含量的變化曲線，由于物料的成型一般都是在熔融流動狀態下進行的，所以要求被加工的物料具有適當的流變性。流動性過小，如果流動速率過小，可能注塑結構復雜制件或薄壁件時會導致沖模不完全；流動性過大，不能形成足夠的擠出壓力，造成制品的強度缺陷和表面缺陷[5]。由圖可知木纖維的加入使材料的流動性能變差，這是由于木粉將受到較大的剪切作用力，且增加在擠出機中的停留時間，使木纖維容易燒焦，使整體流動性變差。

圖4 木纖維復合材料熔體流動速率

4.結論

（1）隨著木纖維含量的增加拉伸強度在一定范圍內上升，說明木纖維的加入在一定范圍內對復合材料有一定的補強效果。

（2）木粉的加入增加了材料的剛性，同時使材料變脆，從而使缺口沖擊強度下降。

（3）由于木粉將受到較大的剪切作用力，且增加在擠出機中的停留時間，使木纖維容易燒焦纖維，使整體流動性變差

[1]胡建鵬，郭明輝.改性工業木質素木纖維復合材料制備工藝及結合性能表征[J]，林業科學，2013,49（4）：103-109

[2]周興平,解孝林.劍麻纖維的表面改性及其復合材料的研究進展[J],工程塑料應用,2000,28(8):44-47.

[3]唐偉家,李茂彥,吳汶.世界塑木復合材料市場動向和開發建設[J].中外能源,2007,12(6):15-19

[4]嚴義剛,王保偉,丁輝.木塑復合材料偶聯劑研究進展[D].天津:天津大學,2008.

[5]張京珍.塑料成型工藝[M]，中國輕工業出版，2010.

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1009-5624（2016）06-0172-03