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复合材料/胶粘剂 |
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芦苇纤维/聚氯乙烯复合材料的研究 |
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作者：湖南科技职业学院 刘西文 来源：Ringer |
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湖南省现有芦苇面积近110万亩，占全国芦苇面积的13. 3%，年产芦苇9 0 万吨左右， 占全国总产量的30%。湖南芦苇原主要用作造纸的原料，但造纸工业造成了环洞庭湖地区的严重污染，为了治理洞庭湖环境，湖南省关停了环洞庭湖地区80%的造纸企业，造成了大量芦苇需要寻找新的用途，研究将芦苇纤维填充塑料制得复合材料是重新利用芦苇资源的有效途径之一。
植物纤维与热塑性塑料是近年来复合材料研究的热点之一，该类材料具有节约资源、环保的特点，而且材料具有塑料及木材的优点，但现研究大多集中在木粉填充改性热塑性塑料，用芦苇纤维与聚氯乙烯制备复合材料的研究至今还未见报道。 
本研究选用湖南洞庭湖区产芦苇纤维作为填充材料，通过对芦苇纤维进行预处理，对芦苇纤维/PVC复合材料进行界面改性，研究芦苇纤维的碱处理、硅烷偶联剂处理、芦苇纤维含量及粒径大小对复合材料力学性能的影响。
实验部分
主要原辅材料
PVC，SG-5，株洲化工集团；芦苇纤维（湖南沅江），过筛得到75μm、106μm、150μm、270μm的芦苇粉，自制；硅烷偶联剂，KH560，南京曙光化工总厂； 其它助剂， 硬酯酸、ACR401、ACRKM-355、二盐基亚磷酸铅、三盐基硫酸铅、硬酯酸钡、碳酸钙、邻苯二甲酸二辛酯（DOP）等均为市售工业级产品。
仪器与设备
高速混合机，GH-10，北京塑料机械厂；双辊混炼机，SK160B，上海橡胶机械厂；平板硫化机，YX-45，长沙橡胶机械厂；万能制样机，ZHY-W，中山试验机总厂；电子拉力机，LDX－200，济南兰光机电技术有限公司；简支梁冲击实验机，XCJ-4，承德市材料试验机厂。
芦苇纤维的预处理
用20%的NaOH溶液浸泡芦苇纤维粉48小时，用蒸馏水冲洗干净，去掉残留的NaOH。再将芦苇纤维粉置于真空干燥箱中，1 8 5 ℃ 下真空干燥4 小时，除去芦苇纤维粉中的水分和其他易挥发的组份，然后将硅烷偶联剂的水溶液雾喷到芦苇纤维粉上搅拌混合均匀，干燥备用。 
图1 试样制备工艺流程图
试样的制备
基础配方：如表1所示。
工艺路线：（见图1）
工艺条件：高速混合温度110 ℃ ， 时间8分钟， 开炼塑料温度165-175℃，时间12分钟，压制温度185-195℃，时间8分钟。
性能测试
拉伸强度按GB/T1049-92测定,拉伸速度5 mm/min，温度为25℃；冲击强度按GB/T1043-93，测试,样条无缺口。
结果与讨论
芦苇纤维碱处理对芦苇纤维/聚氯乙烯复合材料的影响
对植物纤维进行碱处理是纤维改性的传统方法，目前已广泛用于天然植物纤维的改性处理。碱处理法使植物纤维中的部分果胶、木素、半纤维素等低分子量杂质被溶解以及微纤旋转角减小，分子取向提高，这样，纤维表面的杂质被除去，纤维表面变得粗糙，使纤维与界面树脂之间黏合能力增强。另一方面，减处理导致纤维原纤化，即复合材料中的纤维束分裂成更小的纤维，纤维的直径降低，长径比增加，与基体树脂的有效接触面积增加。
对芦苇纤维进行碱处理及不处理试验进行对比，结果表明碱处理后复合材料的拉伸强度有所增加而冲击强度有所下降，如表2所示。
碱处理芦苇纤维填充到聚氯乙烯中去提高了复合材料的拉伸强度，原因可能是芦苇纤维通过碱处理，除去了纤维表面的油脂，纤维表面变得粗糙，增大了芦苇纤维与聚氯乙烯树脂的接触面积与黏合力，从而提高了复合材料的拉伸强度，正是因为碱处理除去了芦苇纤维的油脂，减小了油脂存在于聚氯乙烯分子之间起增塑作用的情况，所以芦苇纤维通过碱处理后复合材料的冲击强度下降。
偶联剂处理对芦苇纤维/聚氯乙烯复合材料的影响
偶联剂用于无机填料填充热塑性塑料是众所周知的，实践证明偶联剂也可用于植物纤维填料填充改性热塑性塑料，本研究选用硅烷类偶联剂，硅烷偶联剂作用时烷氧基先水解形成羟基，然后和纤维表面的羟基反应形成氢键和醚键，而有机长链可以与聚合物作用，从而在纤维和聚合物中间形成较强的界面作用力。结果表明，硅烷偶联剂处理芦苇纤维后填充聚氯乙烯其拉伸强度提高较大，而冲击强度有所下降，但下降幅度不大，如表3所示。
芦苇纤维与聚氯乙烯由于极性相关较大，所以它们之间的容性差，通过偶联剂处理芦苇纤维，提高了芦苇纤维与聚氯乙烯的相容性，使芦苇纤维与聚氯乙烯树脂基体有很好的结合，所以使复合材料的拉伸强度得到了较大的提高。其机理可能如下：偶联剂的水解产物，一端的硅醇键（-Si-OH）一方面与纤维素表面的极性基团（-OH）形成了氢键的键合作用，另一方面两者脱水相连，另一端一方面胺基与PVC分子链上的-C1发生烷基化作用，胺基上的氢被烷基取代，另一方面与PVC长分子链发生物理缠结。因而使芦苇与PVC树脂的相容性提高，材料的拉伸强度有所提高。复合材料冲击强度略有下降的原因可能是由于芦苇纤维与聚氯乙烯相容性提高后纤维与基体结合牢固， 复合材料的刚性提高导致材料的韧性下降。大量研究表明，填料与基体塑料界面黏粘强度并不是越高越好，复合材料的界面黏结越好，则其层间剪切强度越高，但这时往往冲击韧性有所下降。因为通常冲击能量的吸收和耗散是通过填充塑料中的填料，尤其是与树脂的韧性不好时，则在应力作用下破坏过程增长的裂缝将很容易扩散到界面，呈现脆性破坏。当然，若界面黏结太弱，则在应力作用下，填充塑料会在裂缝增长之前呈现界面脱落而破坏。此外，界面缺乏黏结力，易存在空隙，则水分很容易渗透进其界面层而导致强度大大降低。
芦苇纤维粒径对复合材料性能的影响
一般来说填料的颗粒粒径越小，假如它能分散均匀，则填充塑料的力学性能越好，但同时颗粒的粒径越小，要实现其均匀分布就越难，需要更多的助剂和更好的加工设备。而且颗粒越细，所需要的加工费用越高，因此要根据需要选择适当粒径的填料。对于芦苇纤维填料，加工较细的颗粒越发困难。本研究采取了75μm、106μm、150μm、270μm的芦苇粉，在填充量为50Phr时进行研究。结果表明，芦苇纤维粒径越小，复合材料的拉伸强度、冲击强度均越大，如表4所示。
纤维粒径越小，复合材料的拉伸强度及冲击强度越高，原因可能是颗粒越小，填料与基体树脂的接触面积越大，特别是通过偶联处理纤维后，纤维与树脂有较好的相容性，另颗粒大容易在材料中产生应力集中点，所以填料粒径小时复合材料的拉伸强度与冲击强度较高。
芦苇纤维用量对复合材料性能的影响
除增强填料外，一般来说填料量增大，材料的强度有所下降，用芦苇纤维填充聚氯乙烯制得复合材料符合该规律。本研究对150μm芦苇纤维填料，对其进行偶联处理，填充量分别为0份、10份、30份、50份进行了研究，结果表明，随着填充量的增加，复合材料的拉伸强度、冲击强度均下降，如表5所示。
普通填料(颗粒状)填充聚合物通常都使材料的拉伸强度下降，在填充塑料中填料为分散相，实际是被分割在基体树脂构成的连续相中，如同水中的岛屿一样。假定填料的颗粒之间没有空洞或者气泡而完全充满基体树脂，但在受力截面上基体树脂的面积必然小于纯树脂构成的材料。在外力作用下基体树脂从填料颗粒表面被拉开，因承受外力的总面积减小，所以填充材料的拉伸强度较未填充体系有所降低。复合材料的冲击强度也降低，下降幅度较大，这是因为作为分散相的芦苇纤维颗粒在基体中起到了应力集中剂的作用，这些填料的颗粒是刚性的，不能在受力时变形，也不能终止裂纹或产生银纹吸收冲击能，因此使填充塑料的脆性增加。随着芦苇纤维填充量的增加，由于芦苇纤维填料密度低，填料所占据的体积增大，同时芦苇纤维颗粒分散性变差，颗粒堆砌较差，不仅提供了更多的应力集中点，而且更严重地影响了作为主要受理部分的PVC基体的连续性，从而使复合材料的冲击强度下降。
结论
(1) 对芦苇纤维进行碱处理或偶联剂处理可以提高芦苇纤维/聚氯乙烯复合材料的性能。
(2) 芦苇纤维的粒径会影响复合材料的性能，粒径越大，复合材料的拉伸强度及冲击强度均下降。
(3) 芦苇纤维在复合材料中的含量对材料性能影响较大，芦苇纤维含量越大，复合材料的拉伸强度及冲击强度越低。(end)
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(10/17/2010) |
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