芳綸布增強HDPE基木塑復合材料的制備及其拉伸性能研究

馬一越，王耀武，劉昱君，郝琛韜，劉希艷，黨藝旋

(西安工程大學 協同創新中心，陜西 西安710048)

木塑復合材料是近年興起的一種新型復合材料。將木纖維或植物組分充分混合后和熱塑性塑料按照一定比例加工后得到增強改性熱塑性材料即為木塑復合材料，其中植物組分主要包含有木粉、植物纖維、果殼等材料[1]。傳統的木塑復合材料的基材為高密度聚乙烯(HDPE)和木質纖維，決定了其自身具有塑料和木材的某些特性。對HDPE基木塑復合材料來說，木纖維中主要含有纖維素和木質素等，且含有親水性的官能團如羥基和酚羥基[2]。但是聚烯烴類的樹脂屬于不親水性的非極性樹脂，木粉與聚烯烴類樹脂復合得到的材料在力學性能上有所欠缺[3]。 針對傳統的木塑復合材料的一些缺點，如強度和韌性不夠等，可以采取添加纖維的方法進行增強，常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、芳綸等。但由于成本及工藝等其他問題，通常向傳統的木塑復合材料中添加芳綸。芳綸是現在復合材料中應用極為廣泛的一種纖維，其具有高比模量、高比強度及較低的密度等優點[4]。

因其化學惰性,芳綸與基體的界面結合不夠強，國內外在芳綸表面處理這方面做了許多的研究，但是由于工藝等問題，實際應用的卻不多。作者首先制備了HDPE基木塑復合材料，探討了木粉用量及不同偶聯劑對復合材料拉伸性能的影響；然后通過添加芳綸布制備了芳綸布增強HDPE基木塑復合材料，探討了芳綸布添加量對復合材料拉伸性能的影響。

1 實驗

1.1 主要原料

HDPE：中國石化齊魯石化公司產；木粉：木材加工廠提供；馬來酸酐改性聚丙烯(MA-PP)、硬脂酸、液體石蠟、鈦酸脂偶聯劑：北京化學試劑公司產；硅烷偶聯劑：南京曙光化工集團產；芳綸布：東莞市索維特特殊線帶有限公司產。

1.2 主要設備及儀器

SHR-10A 型高速混合機：北京塑料機械廠制；SJSH30雙螺桿擠出機：南京橡膠機械廠制；SK-160開放式煉塑機、QLB-50平板硫化機：上海雙翼橡塑機械有限公司制；CTM2200微機控制電子萬能材料試驗機：協強儀器制造(上海)有限公司制；DHG-9625A干燥箱：上海一恒科技有限公司制。

1.3 HDPE基木塑復合材料的制備

將木粉在80 ℃左右的干燥箱中放置3 h進行干燥處理，并進行偶聯劑處理，在HDPE樹脂中分別加入質量分數為0，3%，4%，5%，6%的木粉，將HDPE樹脂、木粉均勻混合，得到的顆粒混合料經160 ℃雙輥塑煉機塑化5 min均化并成黏流態，然后將其按照模具的大小進行拉片，拉片后放到模具中，并用平板硫化機在240 ℃、16 MPa條件下壓制成復合材料的試件。

1.4 芳綸布增強HDPE基木塑復合材料的制備

首先將HDPE、木粉、MA-PP、液體石蠟、硬脂酸按質量比為55:40:3:1:1在高速混料機中混合；再將螺桿擠出機提前預熱，螺桿各區溫度設定為150，160，160，165，165，160，150 ℃，螺桿轉速為28 r/min，將混合后的材料經過雙螺桿擠出機造粒；得到的顆粒料經160 ℃雙輥塑煉機均勻塑化5 min并成黏流態，然后將其按照模具的大小進行拉片，拉片后放到模具中，再將芳綸布按照尺寸裁剪好放到模具中，并用平板硫化機在240 ℃、16 MPa條件下壓制成復合材料的試件，試件中芳綸布質量分數分別為0，1%，2%，3%。

1.5 拉伸性能測試

將復合材料放入注塑機中，并根據注塑機調整合適的溫度大約為140 ℃，將其注塑壓力保持4.9 MPa穩定4 h后，制得復合材料測試樣條，按GB 50608—2010《纖維增強復合材料建設工程應用技術規范》測試復合材料的拉伸強度和拉伸模量，測試樣長度150 mm，寬度20 mm，厚度2 mm，拉伸速度10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 木粉用量對復合材料拉伸性能的影響

從圖1可以看出：當使用的其他材料相同時，HDPE基木塑復合材料的拉伸強度隨著木粉用量的增加而降低；在不加木粉的情況下，HDPE復合材料的拉伸強度達14.15 MPa；當加入的木粉質量分數達3%時，復合材料的拉伸強度大幅降低至6.12 MPa，繼續增加木粉用量，復合材料的拉伸強度變化不大。

圖1 木粉用量對復合材料拉伸強度的影響

這是因為向樹脂中加入木粉時，隨著木粉增多，木粉會以較大的尺寸分散在HDPE中，使木粉聚集在一起，不能均勻分散，使復合材料有更大概率產生缺陷等情況[5]，所以其拉伸強度會降低。

2.2 偶聯劑對復合材料拉伸性能的影響

將HDPE 與木粉按質量比50∶50混合，木粉分別被硅烷偶聯劑和鈦酸脂偶聯劑處理，偶聯劑質量分數為2%(相對木粉質量)。從表1可以看出，與未用偶聯劑處理木粉相比，使用硅烷偶聯劑和鈦酸脂偶聯劑處理木粉所得復合材料的拉伸強度均有所提高，且使用硅烷偶聯劑所得復合材料的拉伸強度達6.83 MPa，相比未用偶聯劑處理木粉所得復合材料(拉伸強度4.57 MPa)提高49.45%。這是因為在硅烷偶聯劑中含有能夠與木粉中的羥基(—OH)發生反應的硅烷氧基(—SiOR)及與樹脂發生反應的碳鏈，這樣便使木粉與HDPE之間的結合更加牢固[6]，具有更好的界面性能，從而提高復合材料的拉伸強度。

表1 偶聯劑對復合材料拉伸強度的影響

2.3 芳綸布增強HDPE基木塑復合材料的拉伸性能

從圖2可以看出：在未添加芳綸布時，復合材料的拉伸強度為20.56 MPa；隨著芳綸布添加量增加，復合材料的拉伸強度逐步提高，當復合材料中芳綸布質量分數分別為1%，2%，3%時，復合材料的拉伸強度分別為40.53，47.74，54.52 MPa，相比于未添加芳綸布的復合材料的拉伸強度分別提高了97.13%，132.19%，165.28%。

圖2 芳綸布添加量對HDPE基木塑復合材料拉伸強度的影響

因為隨著芳綸布的加入，復合材料在拉升過程中的拉伸應力會通過界面剪切從基體傳遞到芳綸布，能夠有效減少纖維束脫黏的現象，從而提高復合材料的拉伸強度[8]。

從圖3可看出：未添加芳綸布時，HDPE基木塑復合材料的拉伸模量為1.25 GPa；隨芳綸布添加量的增加，復合材料的拉伸模量也隨之增加，當添加芳綸布質量分數分別為1%，2%，3%時，復合材料的拉伸模量分別達2.12，2.15，2.24 GPa，與未添加芳綸布的復合材料相比，分別提高了69.6%，72.0%，79.2%。這是因為復合材料在拉伸過程中大部分載荷被芳綸布分擔，而芳綸布具有較高的模量也起到了一定的作用，隨芳綸布的增加復合材料的拉伸強度和拉伸模量也會隨之提高[8]。

圖3 芳綸布添加量對HDPE基木塑復合材料拉伸模量的影響

3 結論

a.對于HDPE基木塑復合材料，木粉的增多會使復合材料的拉伸強度下降。使用硅烷偶聯劑和鈦酸脂偶聯劑處理木粉所得復合材料的拉伸強度均有所提高，使用質量分數為2%硅烷偶聯劑處理木粉所得復合材料的拉伸強度達到6.83 MPa，提升49.45%。

b.在HDPE基木塑復合材料中添加芳綸布，可以提高復合材料的拉伸強度和拉伸模量。當添加芳綸布質量分數3%時，復合材料的拉伸強度和拉伸模量分別達54.52 MPa和2.24 GPa，與未添加芳綸布相比分別提高了165.28%，79.2%。