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家具用PP 基木塑复合材料的制备与力学性能
点击:319 日期:2018/6/19 14:06:53

        摘要:以聚丙烯(PP) 为木塑复合材料基体,分别加入4 种增强剂和3 种增韧剂,通过共混挤出制备PP 基木塑复合材料,研究了4 种增强剂含量和粒径以及3 种增韧剂含量对复合材料力学性能的影响。结果表明,随着增强剂含量增加,复合材料的弯曲强度表现出先升后降趋势,随着增强剂粒径减小,复合材料的弯曲强度提高,增强效果从高到低依次为硅灰石、滑石粉、碳酸钙和硫酸钡;当硅灰石粒径为10 μm、质量分数为15% 时,复合材料具有最优的拉伸、弯曲以及缺口冲击强度。增韧剂乙烯– 辛烯共聚物(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM) 和苯乙烯– 丁二烯– 苯乙烯共聚物(SBS) 可以大幅提高复合材料的缺口冲击强度,增韧效果从高到低依次为POE,EPDM 和SBS。当粒径为10 μm 的硅灰石和POE 质量分数分别为15% 和20% 时,复合材料综合力学性能最好,缺口冲击强度为17.61 kJ/m2、拉伸强度为27.65 MPa、弯曲强度为30.28 MPa,其弯曲强度优于目前常用木质人造板材,可满足家具行业应用。
        木塑复合材料简称“木塑”,作为一种真正意义上的绿色环保材料,具有木材和塑料的双重特性,广泛应用于建筑装饰、交通工具、包装和景观园林等领域。我国的木塑产业开始于20 世纪80 年代,随后逐渐应用于制造室内外地板、装饰板以及建筑模板,相继制定了木塑复合材料应用的国家标准,但在家具行业应用相对较少[1–3]。我国作为家具生产和消费大国,对于木材的需求量巨大,而森林资源相当有限,对于新型家具材料的开发和寻找成为迫切需要解决的新课题。将木塑材料广泛应用到家具行业,可以节材代木、保护林木资源,对于缓解家具行业原木紧缺问题具有重要意义[4]。
        近年来,木塑家具的研究主要集中在聚乙烯(PE)、聚氯乙烯基木塑复合材料和生产技术等方面[5],许多学者研究发现硅灰石、硫酸钡、滑石粉等对PE 基木塑复合材料有增强作用[6],聚烯烃弹性体乙烯– 辛烯共聚物(POE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、苯乙烯系热塑性弹性体苯乙烯– 丁二烯– 苯乙烯共聚物(SBS) 等对PE 基木塑复合材料有增韧作用[7],但这些研究对家具用木塑复合材料本身缺乏系统性研究。力学性能尤其是弯曲强度是家具用木塑复合材料的重要性能指标,而聚丙烯(PP) 的弯曲强度通常高于PE,为此,根据木塑家具应用特点,笔者采用4种增强剂和3 种增韧剂对PP 基木塑复合材料进行改性,系统研究了不同增强剂和增韧剂对复合材料力学性能的影响,以期获得满足家具应用要求的高性能木塑复合材料。
1 实验部分
1.1 主要原材料
        PP :H1500,熔体流动速率12 g/10 min,韩国LG 化学有限公司;
        杨木粉:180 μm,山东临沂瑞达木粉有限公司;
        碳酸钙、滑石粉、硅灰石:粒径分别为15,13,10 μm,江西广源化工有限公司;
        硫酸钡:粒径分别为15,13,10 μm,湖北合源化工有限公司;
        硬脂酸:SA1800,杭州油脂化工有限公司;
        硅烷偶联剂:KH550,杭州杰西卡化工有限公司;
        马来酸酐接枝聚丙烯(PP-g-MAH) :CPZ–2012,美国陶氏化学公司;
        POE :Solumer8613,韩国SK 化学公司;
        EPDM :modle-4770R,美国陶氏化学公司;
        SBS :model-T161B,中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司。
1.2 主要设备与仪器
        真空干燥箱:Model 9023B 型,上海吉呈仪器设备有限公司;
        高速混合机:Model SHR–10A 型,张家港市恒丰机械有限公司;
        双螺杆挤出机:Model SJSZ–45 型,张家港市明塑机械有限公司;
        注塑机:MA900–II300 型,海天塑机集团有限公司;
        电子万能试验机:WDW–1/2/5/10/20S型,济南金银丰仪器有限公司;
        数显式悬臂梁冲击试验机:XJUD–5.5 型,承德市聚缘检测设备制造有限公司。
1.3 试样制备
        将杨木粉置于120℃真空干燥箱中干燥3 h 除去水分,然后将硅烷偶联剂KH550 与乙醇充分混合后喷洒在已干燥的杨木粉上,均匀搅拌后静置2 h 以上,然后按照一定的配比将已处理的杨木粉和PP、增强剂( 碳酸钙、硫酸钡、滑石粉、硅灰石)及其它助剂在高速混合机中混合8 min,通过双螺杆挤出机造粒,挤出机温度设定为150,165,175,185,195,200,190,175℃,主机转速300 r/min,制得增强型PP 基木塑复合材料粒料。增强型复合材料中杨木粉的质量分数为30% ;硅烷偶联剂、PP-g-MAH、硬脂酸的质量分数分别为1%,5%,2% ;增强剂的质量分数分别为5%,10%,15%,20%。在获得最优的增强剂种类和含量后,再向增强型复合材料中加入质量分数分别为10%,15%,20%,25% 的增韧剂(POE,EPDM,SBS),按上述相同挤出工艺制得增强增韧型PP 基木塑复合材料粒料。
        将所得粒料通过注塑机制成标准试样,注塑温度为200~230℃。
1.4 性能测试
        弯曲强度按GB/T 9341–2008 测试,测试速率为10 mm/min ;
        拉伸强度按GB/T 1040–2006 测试,拉伸速率为10 mm/min ;
        缺口冲击强度按GB/T 1843–2008 测试,冲击摆锤能量为2 075 J。
2 结果与讨论
2.1 增强剂对木塑复合材料力学性能的影响
        由于弯曲强度是家具用木塑复合材料最重要的性能指标,因此首先研究了不同含量的4 种增强剂( 粒径均为15 μm) 对PP 基木塑复合材料弯曲强度的影响,结果如图1 所示。由图1 可以看出,随着增强剂含量增加,复合材料弯曲强度呈现先上升后下降趋势,增强剂质量分数为15% 时,弯曲强度最高。在增强剂含量相同时,增强效果从高到低依次为硅灰石、滑石粉、碳酸钙和硫酸钡。


        根据图1 的结果,将增强剂的质量分数定为15%,研究了不同种类增强剂的粒径对PP 基木塑复合材料弯曲强度的影响,结果如图2 所示。由图2可见,增强剂粒径越小,复合材料弯曲强度越高,这可能是因为在混合过程中,增强剂填充了木塑复合材料粒子间的间隙,而其粒径越小,填充程度越高,复合材料的密实度越高,从而使其内部的结合力越强,故弯曲强度越高[8]。


        结合图1 和图2 可知,在相同增强剂含量和粒径的情况下,硅灰石增强的复合材料弯曲强度最高,其次是滑石粉,再次是碳酸钙,硫酸钡增强的复合材料弯曲强度最低。可以认为,在这4 种增强剂中,硅灰石是PP 基木塑复合材料的最佳增强剂。
        为进一步了解硅灰石对PP 基木塑复合材料综合力学性能的影响,研究了不同粒径的硅灰石对复合材料缺口冲击强度和拉伸强度的影响,分别如图3 和图4 所示。图3 表明,随着硅灰石含量增加,复合材料缺口冲击强度呈现先上升后下降趋势,其原因是硅灰石微粒大多呈条状结构,长径比较大,这种结构有效缓解了外部的冲击力,从而提高了复合材料的冲击性能,但含量过大,破坏了PP 基体的连续性,造成缺口冲击强度下降;增强剂粒径越小,复合材料密实度相对越大,内结合力越强,缺口冲击强度越大[9–11]。在不同硅灰石含量和粒径情况下,硅灰石对复合材料拉伸强度的影响趋势与缺口冲击强度相同。当粒径为10 μm的硅灰石质量分数为15% 时,复合材料的综合力学性能最好,拉伸和弯曲强度分别为32.44,41.8 MPa,缺口冲击强度达到6.37 kJ/m2。


2.2 增韧剂对木塑复合材料力学性能的影响
        PP 基木塑复合材料低温情况下韧性较差、易脆裂。通过添加增韧剂的方式,可以提高其缺口冲击强度,改善使用过程中的硬脆性[7]。保持杨木粉和其它助剂含量不变,在硅灰石( 粒径为10 μm) 质量分数为15% 的基础上,研究增韧剂POE,EPDM和SBS 含量对PP 基木塑复合材料冲击、弯曲和拉伸性能的影响,结果分别如图5、图6 和图7 所示。
        由图5 可知,POE,EPDM 和SBS 对PP 基木塑复合材料有着良好的增韧效果,随着3 种增韧剂含量的增加,复合材料的冲击性能逐渐提升。当增韧剂的含量相同时,增韧效果顺序依次为POE,SBS 和EPDM,其中POE 的增韧效果最好。这是由于POE作为复合材料PP 基体中的主要受力点时,基体以剪切屈服的方式吸收冲击产生的动能,同时产生无数微小裂纹,减弱了冲击带来的破坏,阻止裂纹进一步扩大,从而使复合材料表现出较高的韧性[12–13]。
        从图6 和图7 可知,增韧剂加入破坏了基体中连续相PP 的性能,使得两相分子链互相交错,从而导致复合材料弯曲强度和拉伸强度降低。在不同增韧剂种类、相同含量情况下,相对于EPDM 和SBS,POE 使复合材料缺口冲击强度的增加幅度大于弯曲强度和拉伸强度的减小幅度;另外,从生产制造和效益方面考虑,EPDM,SBS 存在流动性差、工艺要求高和成本高等因素,所以在这3 种增韧剂中,POE 作为PP 基木塑复合材料的增韧剂比较合适,其一方面可以大幅度提高复合材料的韧性,另一方面避免了EPDM,SBS 在塑性、加工性能方面的不足,还有利于复合材料色彩融合等[14–15]。当POE 质量分数为20%,粒径为10 μm 的硅灰石质量分数为15% 时,PP 基木塑复合材料的力学性能最优,缺口冲击强度为17.61 kJ/m2、弯曲强度为30.28 MPa、拉伸强度为27.65 MPa。


2.3 应用情况
        木塑复合材料的韧性和强度是一对难以调和的矛盾,韧性增加通常以牺牲刚性和强度为代价,对家具制造领域材料来说,弯曲强度等力学性能指标十分重要,因此在评价增韧剂和增强剂时,须根据家具用途和生产工艺综合考虑。制备的改性PP 基木塑复合材料已应用于宁波永茂家居用品有限公司家具生产和销售,其弯曲强度优于家具用木质人造板材国家标准GB/T4897–2015 对弯曲强度的要求(厚度为24 mm 时,弯曲强度为10.5 MPa),应用效果良好。
3 结论
        (1) 随增强剂含量的增加,PP 基木塑复合材料的弯曲强度先升高后降低,随增强剂粒径的减小,复合材料的弯曲强度提高。在相同增强剂含量和粒径下,增强效果从高到低依次为硅灰石、滑石粉、碳酸钙和硫酸钡。当增强剂硅灰石的粒径为10 μm、质量分数为15% 时,PP 基木塑复合材料的综合力学性能最好。
        (2) 在增韧剂含量相同的情况下,增韧效果从高到低依次为POE,EPDM 和SBS。
        (3) 当POE 质量分数为20%,粒径为10 μm的硅灰石质量分数为15% 时,PP 基木塑复合材料的力学性能最优,可应用于家具行业。

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