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增強殼層結構共擠出HDPE基木塑復合材料性能研究

字體大�。� | | 2016-02-18 18:47

 【摘要】：聚合物的共擠出技術能夠使具有不同性能的多層物料在擠出過程中彼此復合在一起,從而使一種制品兼有幾種不同材料的優(yōu)良特性。將聚合物的共擠出技術運用于制備木塑復合材料(WPC),有可能設計由不同材料的核層及殼層結構所組成的產(chǎn)品,如果進而在殼層結構中加入功能化材料及助劑使其優(yōu)化組合,則有望得到性能優(yōu)良乃至功能性的共擠出木塑復合材料。本文從上述研究構思出發(fā),制備具有增強殼層結構的共擠出木塑復合材料。首先分別研究復合材料核層結構及殼層結構的制備與性能,進而實施共擠出成型加工工藝,并系統(tǒng)地分析殼層結構對共擠出木塑復合材料性能的改善作用。本文主要研究內(nèi)容和結果為： 針對核層材料的研究。以高密度聚乙烯(HDPE)為塑料基體,利用4種不同的天然纖維原料(松木粉,甘蔗渣,稻稈,稻殼)制備HDPE/天然纖維復合材料,探索其制備方法和材料性能。研究發(fā)現(xiàn),4種天然纖維都能夠增強HDPE的彎曲和拉伸性能,但導致材料的抗沖擊強度有所降低；在體系中加入助劑馬來酸酐接枝聚乙烯(MAPE)可改善HDPE/天然纖維復合材料的綜合力學強度,進一步加入馬來酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(MASEBS)可使復合材料的抗沖擊強度得到提升；動態(tài)熱機械分析(DMA)測試結果表明天然纖維的加入使復合材料的剛性特征更為明顯,而復合材料儲存模量的降低和損耗角正切的升高體現(xiàn)了MASEBS在復合材料體系中顯著的增韌作用。 針對新型殼層材料的研究。利用具有高熔點和高強度的工程塑料聚酰胺-6(PA6)增強HDPE基體,通過兩步法,即造粒過程中趁熱拉伸材料待冷卻后再注塑成型的加工方式制備出HDPE/PA6微纖維復合材料,并分析其各項性能。復合材料的斷裂面微觀形貌證明了PA6在造粒過程中被拉伸成微纖維并原位存在于復合材料中,同時,適度的相容劑添加可調(diào)控PA6微纖維的直徑,并使其在復合材料中呈有序的定向排列；PA6微纖維的加入明顯增強了HDPE的彎曲和拉伸性能,但抗沖擊強度有所下降,不同的相容劑對幾種典型的力學參數(shù)的貢獻率各不相同；差示掃描量熱分析(DSC)測試結果表明相容劑的加入提升了復合材料中PA6的結晶峰溫度,同時使其結晶度降低；DMA測試結果表明含有相容劑的復合材料相比對照組體現(xiàn)出更為明顯的粘性特征。 針對在殼層及核層結構中加入增強材料的研究。以少量的Kevlar纖維(KF)作為增強體加入至HDPE基體及木塑復合材料中,通過雙螺桿擠出機一次熔融共混及熱動力高剪切攪拌機二次共混的方法使水解后的纖維在復合材料中分散均勻,考察Kevlar纖維分別為純塑料和WPC帶來的增強作用。研究發(fā)現(xiàn)這種輕質(zhì)纖維在自身使用量很低的情況下即可對HDPE基體及WPC起到大幅增強效果,在彎曲強度和拉伸模量兩項數(shù)據(jù)中體現(xiàn)得尤為突出；紅外光譜測試證明了纖維化學結構中的酰胺鍵經(jīng)水解后斷裂,并能夠與相容劑MAPE發(fā)生酯化反應；DMA測試表明Kevlar纖維在HDPE中的使用可為復合材料帶來較為明顯的剛性增強,而相容劑MAPE的加入可提升HDPE/KF復合材料的粘性特征,同時,KF在WPC中的使用可于較高溫度區(qū)間內(nèi)增加復合材料的彈性特征。 針對新型功能化核-殼結構共擠出木塑復合材料的研究。采用實驗型共擠出機組制備具有核-殼結構的共擠出WPC,研究這種材料的制備方法,以及在殼層結構中加入功能化材料為整體共擠出WPC性能所帶來的影響。在核層結構中以HDPE與廢舊HDPE的混合塑料為基體,并使用成本較低的松木粉作為填充材料；在殼層結構中,以HDPE為基體,選擇PA6微纖維作為增強體,使用少量的硼酸鋅作為阻燃劑。研究發(fā)現(xiàn),共擠出WPC在彎曲強度、斷裂應變以及抗沖擊強度上與僅含有核層結構的WPC相比均有明顯提升,同時,在殼層結構中加入占殼層質(zhì)量分數(shù)為20%的PA6微纖維能夠比較顯著地改善共擠出WPC的彎曲模量和彎曲強度；與僅含有核層結構的WPC相比,共擠出WPC在材料整體密度降低的情況下,彎曲強度和抗沖擊強度反而有明顯的提升；將占殼層質(zhì)量10%(占復合材料整體質(zhì)量分數(shù)僅為2%)的硼酸鋅選擇性地加入至共擠出WPC的殼層結構中,可降低材料的熱釋放速率峰值和總熱釋放量,并延長點燃時間、減少總產(chǎn)煙量；長期浸水實驗結果表明,在試樣的兩端被密封或完全暴露于水中進行測試的條件下,共擠出WPC均體現(xiàn)出良好的耐水性能。 綜上所述,殼層結構在共擠出WPC中僅占較小的質(zhì)量和體積分數(shù),然而選擇性加入殼層結構中的PA6微纖維對提高整體復合材料的力學性能產(chǎn)生了顯著的作用；在含有PA6的HDPE殼層中添加少量硼酸鋅,對共擠出復合材料產(chǎn)生一定的阻燃和抑煙作用。這表明,可以通過在殼層結構中加入增強材料和功能性助劑的方法改善共擠出WPC的整體性能,賦予其新的功能。

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