木粉填充改性聚丙烯复合材料的研究

黄兆阁，刘莉，李荣勋，李少香，刘光烨

（青岛科技大学新材料研究重点实验室，山东 青岛 ２６６０４２）

摘要：本实验利用木粉对聚丙烯（P P ）进行改性研究，结果表明，加入木粉后，复合材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率、硬度和维卡软化温度均有所提高，加工流动性能和冲击强度有所下降。

关键词：聚丙烯；木粉；复合材料

中图分类号：TQ 325.14 文献标识码：B 文章编号：1009-797X(2005)07-0021-05

作者简介：黄兆阁（１９６８－），男，硕士，多年来一直从事塑料专业的教学和研究工作，已发表论文２０余篇。

收稿日期：２００４－１０－１２

近年来，开发植物纤维作为增强材料的复合材料越来越引起人们的注意，这类填充剂与目前普遍采用的无机填充剂相比具有以下优点：与高分子化合物相容性好；密度较一般无机填充剂小，而模量和拉伸强度与无机纤维接近；原料资源丰富，生产工艺简单，价格也最便宜；所得复合材料制品具有良好的木质感和隔热效果；对其加工设备磨损小；具有生物可降解性和可再生性，在环境保护和资源保护方面有重要意义。热塑性塑料／植物纤维复合材料可应用于汽车工业、室内装饰材料及日常生活等领域。因此，开发热塑性塑料／植物纤维复合材料产品具有极大的社会效益和经济效益。

本文用木粉作为植物纤维增强材料对聚丙烯进行了改性研究，着重考察了对材料的力学性能和加工流动性能的影响，并且用电镜研究了材料断面的微观结构。

１ 实验部分

１．１ 主要原料

聚丙烯（PP ） T30S

大连西太平洋石油化工有限公司木粉 市售

１．２ 主要设备

GH －10A 高速混合机 北京塑料机械厂塑料破碎机

青岛德信塑料机械有限公司SK －160B 双滚筒炼塑机 上海橡胶机械厂S H J 系列双螺杆挤出机

南京杰恩特机电有限公司130F 2V 塑料注射成型机 东华机械有限公司µPX RZ －400C 熔体流动速率仪 吉林大学科教仪器厂RW －3热变性实验仪／维卡耐热仪 河北省承德市实验机厂LJ －1000型机械拉力机 广州实验仪器厂X HR －150型塑料洛氏硬度计 上海材料实验机厂X C 型摆锤冲击实验机

承德精密实验机有限公司

木粉填充改性

聚丙烯复合材料的研究

TG328A电光分析天平

上海天平仪器厂

GZ X－D HG电热恒温干燥箱

山东潍坊医疗器械厂

１．３ 测试方法

熔体流动速率测定 按GB3682－2000

拉伸性能测定 按GB1040－92

弯曲强度测定 按GB9341－88

简支梁冲击强度测定 按GB/T1043－1993

悬臂梁冲击强度测定 按GB/T1843－1996

塑料耐热性（维卡）测定 按GB1633－89１．４ 样品制备

１．４．１ 木粉与聚丙烯混合造粒工艺

木粉在烘箱烘干约8~12h，聚丙烯与已烘干的木粉放入高速混合机中混合，混好的物料加入挤出机中，挤出造粒。

挤出机温度设定：1区190 ℃，2区200　℃，３区210 ℃，4区215 ℃，5区205 ℃。１．４．２ 塑料混炼工艺

聚丙烯与木粉在双辊开炼机上混炼均匀，混炼辊温为：150~170 ℃，下片，放入塑料破碎机中破碎成粒状，粒料待用。

１．４．３ 注塑成型工艺

料筒温度：射嘴：210 ℃，I段215 ℃，II段210 ℃，III段180 ℃，IV段20　℃，V段20　℃，注射压力：45~65 MPa，保压15 s。

１．４．４ 工艺流程

木／塑复合材料工艺流程如下：P P、木粉、其他助剂→高速混合→双螺杆挤出→造粒→干燥→注塑→制样→性能测试。

２ 结果与讨论

２．１ 木粉（40份）粒径对木粉／PP复合材料力学性能的影响

２．１．１ 木粉粒径对PP融体流动速率（MFR）的

影响

由图1可见，加入木粉，材料的熔体流动速率明显降低，但是随着木粉粒径的减小，聚丙烯（P P）与木粉复合材料的融体流动速率降低幅度很小。木粉的主要成分是纤维素和木质素，其流动性很差，降低了树脂的流动性，而随着

图3描述了木粉粒径对复合材料硬度的影响，随着木粉粒径的减小，复合材料的硬度逐渐增加。因为粒径减小，木粉能够相对均匀地分散在复合材料中，对树脂基体的增强效果提高。

２．１．４ 木粉粒径对PP拉伸强度及断裂伸长率图１　木粉粒径对PP熔体流动速率的影响

由图2可知，随着木粉粒径的减小，材料的弯曲强度逐渐增加，这是因为，随着粒径的减小，改善了木粉和复合材料的二相界面结合，颗粒引起应力集中及产生缺陷的几率减小，因而能提高材料的弯曲强度［1］。

２．１．３ 木粉粒径对PP硬度的影响

图２　木粉粒径对PP弯曲强度的影响

木粉粒径的减小熔体流动曲线趋于平缓，则说明此时木粉粒径对P P的流动性影响不大。

２．１．２ 木粉粒径对复合体系弯曲强度的影响

右的木粉最佳。

２．２ 木粉（40目）用量对复合材料性能的影响

２．２．１ 木粉用量对复合材料MFR 的影响

由图5可知，随着木粉用量的增加，熔体的流动速率明显下降。木粉的主要成分是木质素和纤维素，属于刚性大分子，其流动性能很差，用量越多，基体树脂的流动性越差。

图３　木粉粒径对复合材料硬度的影响

图４　木粉粒径对PP 拉伸强度及断裂伸长率的影响

由图7可以看出，随木粉用量的增加，弯曲

强度上升。作为刚性大分子，木粉对树脂基体具有增强作用。

２．２．４ 木粉用量对复合材料冲击性能的影响

由图8可知，随着木粉含量的增加，材料的冲击强度下降。这主要因为随着木粉用量的增加，木粉聚集现象加剧，粒径大的颗粒引起应力集中，容易产生破坏，使材料的韧性下降。

２．２．５ 木粉用量对复合材料拉伸强度及断裂伸

图５　木粉用量对复合材料MFR 的影响

图６　木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响

的影响

由图4可看出，随着木粉粒径的减小，P P /木粉复合材料的拉伸强度、断裂伸长率均明显上升。这是因为开始的粒径较大，分散程度不好，随着粒径的减小，颗粒引起应力集中及产生缺陷的可能性变小，因而材料的拉伸强度随着粒径的减小而增加［2］。

综合力学性能和加工流动性，选择40目左

２．２．２ 木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响

图6是木粉用量对复合材料维卡软化点温度的影响，随着木粉用量的增加复合材料的热变形温度提高，是因为木粉作为一种天然纤维素具有刚性，其热稳定性好于聚丙烯。

２．２．３ 木粉用量对复合材料弯曲强度的影响