蘆葦/玄武巖纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

李智佳，任慶龍，夏 英，張鋒鋒，叢世杰

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

?

蘆葦/玄武巖纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

李智佳，任慶龍，夏 英*，張鋒鋒，叢世杰

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

利用雙輥開(kāi)煉機(jī)將蘆葦纖維(L)、玄武巖纖維(X)與聚丙烯(PP)、聚醋酸乙烯酯(EVA)進(jìn)行熔融共混，制備了PP/EVA/L/X復(fù)合材料；通過(guò)堿處理L，硫酸/硅烷偶聯(lián)劑聯(lián)合處理X，得到改性蘆葦纖維(AL)和改性玄武巖纖維(SSiX)，同樣方法制得PP/EVA/AL/SSiX復(fù)合材料；研究了2種纖維復(fù)配質(zhì)量比對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，分析了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與形貌。結(jié)果表明：當(dāng)L與X復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/L/X復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好；與PP/EVA復(fù)合材料相比，AL與SSiX質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/AL/SSiX復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了10.67 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了11.38 MPa，但沖擊強(qiáng)度有所下降，加工流動(dòng)性也有所下降；PP/EVA/AL/SSiX復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于PP/EVA/L/X復(fù)合材料。

聚丙烯 聚醋酸乙烯酯 玄武巖纖維 蘆葦纖維 共混改性 復(fù)合材料 力學(xué)性能

聚丙烯(PP)是一種通用塑料，具有密度小、原料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、化學(xué)穩(wěn)定性好、性價(jià)比高、易于回收利用和加工成型等優(yōu)點(diǎn)。但其也具有一些缺點(diǎn)，例如低溫韌性差、不耐老化、尺寸收縮率大、沖擊性能差等[1]，這些限制了其在工程塑料和結(jié)構(gòu)材料方面的應(yīng)用。通常將PP與一定量的橡膠類(lèi)彈性體進(jìn)行混合來(lái)提高其韌性[2-6]，如乙丙橡膠(EPR)、三元乙丙橡膠(EPDM)、氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)等，雖然這在一定程度上提高了PP的韌性，但是加入的彈性體不可避免地會(huì)降低PP的模量和強(qiáng)度。

蘆葦纖維(L)是纖維素含量較高的一年生草本植物，具有質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、密度小、比強(qiáng)度高、對(duì)設(shè)備磨損小以及可再生降解等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。通過(guò)采用L制備熱塑性樹(shù)脂/纖維復(fù)合材料，不僅可顯著降低生產(chǎn)成本，而且對(duì)環(huán)境保護(hù)也具有一定的意義。因此，L是一種具有良好應(yīng)用前景的新型環(huán)保結(jié)構(gòu)材料[7-8]。

玄武巖纖維(X)是一種性能優(yōu)異的新型環(huán)保材料，因具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐化學(xué)腐蝕性、低吸濕、吸音、隔熱、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，使其躋身于新型高性能纖維的行列。隨著技術(shù)的發(fā)展，X作為一種高強(qiáng)度無(wú)機(jī)礦物纖維，在不久的將來(lái)有可能部分代替價(jià)格昂貴的碳纖維。目前，X作為增強(qiáng)材料在熱塑性[9-11]和熱固性[12-14]樹(shù)脂基復(fù)合材料方面的應(yīng)用研究報(bào)道較多，但是把L和X復(fù)配增強(qiáng)復(fù)合材料的研究卻沒(méi)有報(bào)道。因此，作者采用雙輥開(kāi)煉機(jī)將L，X與PP、聚醋酸乙烯酯(EVA)進(jìn)行熔融共混，制備了PP/EVA/L/X復(fù)合材料。研究了L與X復(fù)配比例對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，同時(shí)也分析了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)與形貌。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PP：牌號(hào)J340，盤(pán)錦華錦乙烯有限責(zé)任公司產(chǎn)；EVA：醋酸乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%，東莞市鴻君塑膠原料有限公司產(chǎn)；L，X：短切3 mm，海寧安捷復(fù)合材料有限責(zé)任公司產(chǎn)；硅烷偶聯(lián)劑KH-550：南京道寧化工有限公司產(chǎn)；氫氧化鈉(NaOH)：分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；甲酸：分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；濃硫酸(H2SO4)：天津市瑞金特化學(xué)品有限公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備

SK-160B雙輥開(kāi)煉機(jī)：160 mm×320 mm，上海思南橡膠機(jī)械有限公司制；202-00A電熱干燥箱及FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī)：天津市泰斯特儀器有限公司制；RGT-5微機(jī)控制電子萬(wàn)能機(jī)：深圳市瑞格爾儀器有限公司制；XRZ-400熔融指數(shù)儀：吉林大學(xué)儀器廠制；QLB-50D/Q平板硫化機(jī)：江蘇無(wú)錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司制；HY-W萬(wàn)能制樣機(jī)：河北省承德試驗(yàn)機(jī)廠制；RXJ-50液晶顯示沖擊試驗(yàn)機(jī)：深圳市瑞格爾儀器有限公司制；JSM-6460LV掃描電鏡(SEM)：日本電子公司制；Zeiss Mikroskop Axiopla型偏光顯微鏡(POM) ：德國(guó)蔡司光學(xué)儀器公司制。

1.3 試樣制備

1.3.1 L的堿處理

配制一定質(zhì)量濃度的NaOH溶液，按照1 mL NaOH溶液中加入0.2 g的L，在一定溫度下處理一定時(shí)間，處理完成后抽濾。首先采用甲酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)洗除殘留NaOH，然后再用去離子水洗滌3次，得到堿處理蘆葦纖維(AL)，并在100 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用。

1.3.2 H2SO4/KH-550聯(lián)合處理X

配制濃度為1mol/L的硫酸溶液，將X按5 g/mL加入配好的硫酸溶液中，于80 ℃反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束后抽濾，洗滌干燥。再采用一定濃度的KH-550溶液對(duì)酸處理后的X進(jìn)行表面處理，得到改性玄武巖纖維(SSiX)，并在100 ℃鼓風(fēng)干燥箱中干燥8 h備用。

1.3.3 復(fù)合材料的制備

將未改性纖維和改性纖維分別與PP，EVA混合，PP/EVA混合物與纖維的質(zhì)量比7:3(其中PP:EVA質(zhì)量比4:1)，然后于(180±2)℃雙輥開(kāi)煉機(jī)上混煉8 min，混煉均勻后下片，在溫度為(180±3)℃、壓力為15 MPa的平板硫化機(jī)上熱壓5 min，熱壓完成后再在15 MPa下進(jìn)行冷壓20 min得到樣板，裁成標(biāo)準(zhǔn)樣以備測(cè)試。

1.4 性能測(cè)試

彎曲強(qiáng)度：按GB/T 9341—2008測(cè)試，彎曲速率為2 mm/min。

拉伸強(qiáng)度：按GB/T 6344—2008測(cè)試，拉伸速率為50 mm/min。

懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度：按GB/T 1943—2007 測(cè)試。

加工流動(dòng)性能：按照GB/T 3682—2008測(cè)試，試樣在一定溫度的平板硫化機(jī)上被壓制成薄片，然后剪成碎片加入料筒，測(cè)試溫度為230 ℃，負(fù)載為2.16 kg。

斷面形態(tài)：按GB/T 16594—2008測(cè)試，測(cè)試試樣經(jīng)過(guò)液氮冷凍脆斷后，斷口表面進(jìn)行噴金處理，再經(jīng)擴(kuò)大不同的倍數(shù)進(jìn)行斷面形態(tài)分析，放大倍數(shù)為1 000。

結(jié)晶形態(tài)；將少量試樣置于載玻片上，然后在加熱臺(tái)上進(jìn)行熔融并壓成薄片，冷卻30 min后觀察其結(jié)晶后的形態(tài)，放大倍數(shù)為200。

2 結(jié)果與討論

2.1 L與X復(fù)配質(zhì)量比

從表1可以看出：當(dāng)纖維L與X的復(fù)配質(zhì)量比由(1:1)～(1:4)變化時(shí)，復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度一直增大，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度則呈現(xiàn)不同程度的降低趨勢(shì)；當(dāng)纖維L與X的復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)纖維L與X的復(fù)配質(zhì)量比由(2:1)～(5:1)變化時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度明顯降低，這主要是由于L的增強(qiáng)作用明顯低于X，且2種未改性纖維表面與樹(shù)脂的相容性較差，導(dǎo)致復(fù)合材料的綜合力學(xué)強(qiáng)度降低。

表1 L與X的復(fù)配質(zhì)量比對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

Tab.1 Effect of L/X mass ratio on mechanical properties of PP/EVA composite

LX質(zhì)量比拉伸強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(kJ·m-2)1124．9728．777．491221．6830．224．471323．0330．485．651422．6931．725．481526．7032．377．671623．1633．545．422123．9232．616．363122．9631．805．834121．8130．757．815119．7429．684．42

從表1還可發(fā)現(xiàn)，隨著復(fù)配纖維中X用量的增大，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，在L:X復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值。綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能，確定纖維L:X復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)較適宜。

2.2 AL與SSiX復(fù)配質(zhì)量比

從表2可以看出，L和X復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料起到了增強(qiáng)作用，其中AL和SSiX復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最為突出，拉伸強(qiáng)度較PP/EVA復(fù)合材料提高了10.67 MPa，彎曲強(qiáng)度較 PP/EVA復(fù)合材料提高了11.38 MPa，但沖擊強(qiáng)度下降較多。這主要是因?yàn)楦男院蟮睦w維表面極性降低，表面變得粗糙，增加了其與基體PP/EVA之間的相容性，增加了界面粘結(jié)力，從而使復(fù)合材料在受到外界應(yīng)力時(shí)，與未改性纖維相比，改性纖維能夠形成有效的二維交錯(cuò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這有利于緩解局部應(yīng)力，因此PP/EVA復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能得到一定程度的提高。

表2 AL與SSiX質(zhì)量比對(duì)PP/EVA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

Tab.2 Effect of mass ratio of AL and SSiX on mechanical properties of PP/EVA composite

復(fù)合材料纖維復(fù)配質(zhì)量比拉伸強(qiáng)度/MPa彎曲強(qiáng)度/MPa沖擊強(qiáng)度/(kJ·m-2)PP23．5331．4114．8PP/EVA17．9622．2152．8PP/EVA/L/X1526．7032．377．7PP/EVA/AL/SSiX1528．6333．597．6

由表3可知，與PP/EVA復(fù)合材料相比，添加纖維增強(qiáng)的PP/EVA復(fù)合材料的加工流動(dòng)性均有所降低。這是因?yàn)椋阂环矫嫖锤男缘腖和X表面極性較強(qiáng)，不易與基體樹(shù)脂發(fā)生纏結(jié)，相容性較差，因此與PP/EVA復(fù)合材料相比，加工流動(dòng)性有所降低；另一方面，雖然改性纖維與基體樹(shù)脂的相容性變得較好，但是改性纖維破壞樹(shù)脂連續(xù)性的作用大于取向作用，因此復(fù)合材料熔體流動(dòng)指數(shù)有所降低。

表3 AL與SSiX質(zhì)量比對(duì)PP/EVA復(fù)合材料加工性能的影響

Tab.3 Effect of mass ratio of AL and SSiX on process performance of PP/EVA composite

復(fù)合材料纖維復(fù)配質(zhì)量比熔體流動(dòng)指數(shù)(10min)/gPP1．16PP/EVA3．04PP/EVA/L/X152．36PP/EVA/AL/SSiX152．05

2.3 纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的SEM分析

由圖1a可知：復(fù)合材料截面中出現(xiàn)不規(guī)則束狀即為L(zhǎng)，表面光滑的圓柱狀纖維即為X；未改性纖維進(jìn)行復(fù)配時(shí)，復(fù)合材料截面上清晰可見(jiàn)纖維剝離后產(chǎn)生的孔洞和溝槽，X表面光滑，被大量拔出，且拔出長(zhǎng)度較長(zhǎng)，L呈束狀聚集，因此對(duì)復(fù)合材料的增強(qiáng)效果并不明顯。從圖1b可以看出：復(fù)合材料的截面中幾乎無(wú)孔洞結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，SSiX拔出長(zhǎng)度變小，且大部分纖維被樹(shù)脂包裹，說(shuō)明經(jīng)表面改性后的SSiX與基體的相容性增加，復(fù)配纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)作用得到發(fā)揮；但是AL分散性仍然較差，從圖1b中左側(cè)可見(jiàn)部分AL團(tuán)聚在一起，這主要由于AL原纖化，使纖維變得更細(xì)小，較難在基體中分散均勻。

圖1 纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of fiber-reinforced PP/EVA composite纖維復(fù)配質(zhì)量比L:X及AL:SSiX均為1:5。

2.4 纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的POM分析

由圖2a可知，基體中L和X周邊的晶粒邊界模糊不清，而L和X分布較少的區(qū)域球晶尺寸較大，這主要因?yàn)槲锤男岳w維與樹(shù)脂的相容性較差，未改性纖維在基體中的分布不均，從而導(dǎo)致復(fù)合材料各處應(yīng)對(duì)外界應(yīng)力的承受能力不同，從而導(dǎo)致未改性纖維對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果不那么明顯。圖2b中可清晰地觀察到小球晶的邊界，球晶大小均勻，大多數(shù)都是均勻分布于AL和SSiX的兩側(cè)，且改性纖維在樹(shù)脂中的分散也更均勻。因此，PP/EVA/AL/SSiX復(fù)合材料的力學(xué)性能優(yōu)于PP/EVA/L/X復(fù)合材料。

圖2 纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的POM照片F(xiàn)ig.2 POM images of fiber-reinforced PP/EVA composite纖維復(fù)配質(zhì)量比L:X及AL:SSiX均為1:5。

3 結(jié)論

a. L和X復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料有增強(qiáng)作用，當(dāng)L和X纖維復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/L/X復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較佳。

b. 與PP/EVA復(fù)合材料相比，AL和SSiX復(fù)配對(duì)PP/EVA復(fù)合材料的增強(qiáng)效果最為突出。當(dāng)AL:SSiX復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，改性纖維增強(qiáng)PP/EVA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了10.67 MPa，彎曲強(qiáng)度提高了11.38 MPa，但沖擊強(qiáng)度下降較多。

c. 與PP/EVA復(fù)合材料相比，當(dāng)AL:SSiX復(fù)配質(zhì)量比為1:5時(shí)，PP/EVA/AL/SSiX復(fù)合材料的熔體流動(dòng)指數(shù)為每10 min 2.05 g，其加工流動(dòng)性有所降低。

[1] 鄭水林. 粉體表面改性[M]. 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2004:60-116.

Zheng Shuilin.Surface modification of powder[M].Beijing:China Building Material Industry Publishing House,2004:60-116.

[2] Tam W H, Cheuang T, Li R K Y. An Investigation on the impact fracture characteristics of EPR toughened polypropylene[J]. Polym Test, 1996,15(4):363-379.

[3] Meligi G, Yoshii F, Sasaki T, et al. Accelerated degradablity of polypropylene by blended rubber[J]. Polym Degrad Stab, 1997,57(3):241-246.

[4] Sun Yishi, Zhang Zengmin, Fu Zengli. Toughening mechanisms of polypropylene blended by elastomer[J]. Acta Polym Sin, 1995,1(1):82-87.

[5] Arroyo M, Zitzumbo R, Avalos F. Composites based on PP/EPDM blended and aramid short fibers. morphology/behaviour relationship[J]. Polymer, 2000, 41(16): 6 351-6 359.

[6] Yu Zhongzhen, Lei Ming, Ou Yuchun, et al. Study on Compatibilization and toughening of a copolyester with a maleated thermoplastic elastomer[J]. Polymer, 2002,43(25):6 393-7 001.

[7] 崔藝華, 周葉青. 木纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料界面研究現(xiàn)狀[J]. 纖維復(fù)合材料, 2006, 23(1): 53-57.

Cui Yihua, Zhou Yeqing. Interface study on wood fiber reinforced thermoplastic composites[J]. Fiber Compos, 2006, 23(1): 53-57.

[8] Kraiem D, Pimbert S, Ayadi A, et al. Effect of low content reed (phragmite australis) fibers on the mechanicalproperties of recycled HDPE composites[J]. Composites, 2013,44(1):368-374.

[9] Czigány T, Vad J, Poloskei K. Basalt fiber as a reinforcement of polymer composites[J]. Period Polytech Mech Eng, 2005,49(1):3-14.

[10] Ronkay F, Czigány T. Development of composites with recycled PET matrix [J]. Polym Adv Tech, 2006, 17(9/10): 830-834.

[11] Czigány T. Special manufacturing and characteristics of basalt fiber reinforced hybrid polypropylene composites:mechanical properties and acoustic emission study[J]. Compos Sci Tech, 2006,66(16):3 210-3 220.

[12] Oztürk S. The effect of fibre content on the mechanical properties of hemp and basalt fibre reinforced phenol formaldehyde composites[J]. J Mater Sci, 2005,40(17):4 585-4 592.

[13] Czigány T, Poloskei K, Karger-Kocsis J. Fracture and failure behavior of basalt fiber mat-reinforced vinylester /epoxy hybrid resins as a function of resin composition and fiber surface treatment[J]. J Mater Sci, 2005,40(21):5 609-5 618.

[14] Wang Mingchao, Zhang Zuoguang, Li Yubin, et al. Chemical durability and mechanical properties of alkali-proof basalt fiber and its reinforced epoxy composites[J]. J Reinf Plast Compos, 2008,27(4):393-407.

Mechanical properties of reed/basalt fiber-reinforced PP/EVA composite

Li Zhijia, Ren Qinglong, Xia Ying, Zhang Fengfeng, Cong Shijie

(SchoolofTextileandMaterialEngineering,DalianPolytechnicUniversity,Dalian116034)

A polypropylene/polyvinyl acetate/reed/basalt (PP/EVA/L/X) composite was prepared by melt blending L fiber, X fiber, PP and EVA on a two-roller mill. A modified reed (AL) fiber and a modified basalt (SSiX) fiber were obtained by treating L in a basic solution and X with a sulfuric acid-silane coupling agent. A PP/EVA/AL/SSiX composite was prepared by the same process. The effect of the compound ratio of two fibers on the mechanical properties of the composites was studied. The microstructure and morphology of the composites were analyzed. The results showed that PP/EVA/L/X composite had fairly good comprehensive properties as the mass ratio of L and X was 1:5; as compared with PP/EVA composite, PP/EVA/AL/SSiX composite showed an increase of 10.67 MPa in tensile strength and 11.38 MPa in bending strength, but some decrease in impact strength and processing flowability as the mass ratio of AL and SSiX was 1:5; PP/EVA/AL/SSiX composite was better than PP/EVA/L/X composite in the mechanical properties.

polypropylene; polyvinyl acetate；basalt fiber; reed fiber; blend modification; composite; mechanical properties

2016- 06-25； 修改稿收到日期：2016- 09-28。

李智佳(1992—)，女，碩士研究生，主要從事塑料的加工與改性以及復(fù)合材料的制備。E-mail：403837430@qq.com。

* 通訊聯(lián)系人。E-mail：Xiaying961@163.com。

TQ343+.4

A

1001- 0041(2016)06- 0039- 04