增強(qiáng)殼層結(jié)構(gòu)共擠出HDPE基木塑復(fù)合材料性能研究.pdf

1、聚合物的共擠出技術(shù)能夠使具有不同性能的多層物料在擠出過程中彼此復(fù)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(shù)運(yùn)用于制備木塑復(fù)合材料(WPC)，有可能設(shè)計(jì)由不同材料的核層及殼層結(jié)構(gòu)所組成的產(chǎn)品，如果進(jìn)而在殼層結(jié)構(gòu)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(fù)合材料。本文從上述研究構(gòu)思出發(fā)，制備具有增強(qiáng)殼層結(jié)構(gòu)的共擠出木塑復(fù)合材料。首先分別研究復(fù)合材料核層結(jié)構(gòu)及殼層結(jié)構(gòu)的制備與性能

2、，進(jìn)而實(shí)施共擠出成型加工工藝，并系統(tǒng)地分析殼層結(jié)構(gòu)對(duì)共擠出木塑復(fù)合材料性能的改善作用。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果為:
　　針對(duì)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(fù)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(qiáng)HDPE的彎曲和拉伸性能，但導(dǎo)致材料的抗沖擊強(qiáng)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H

3、DPE/天然纖維復(fù)合材料的綜合力學(xué)強(qiáng)度，進(jìn)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(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度得到提升;動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)測(cè)試結(jié)果表明天然纖維的加入使復(fù)合材料的剛性特征更為明顯，而復(fù)合材料儲(chǔ)存模量的降低和損耗角正切的升高體現(xiàn)了MASEBS在復(fù)合材料體系中顯著的增韌作用。
　　針對(duì)新型殼層材料的研究。利用具有高熔點(diǎn)和高強(qiáng)度的工程塑料聚酰胺-6(PA6)增強(qiáng)HDPE基體，通過兩步法，即

4、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(fù)合材料，并分析其各項(xiàng)性能。復(fù)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(fù)合材料中，同時(shí)，適度的相容劑添加可調(diào)控PA6微纖維的直徑，并使其在復(fù)合材料中呈有序的定向排列;PA6微纖維的加入明顯增強(qiáng)了HDPE的彎曲和拉伸性能，但抗沖擊強(qiáng)度有所下降，不同的相容劑對(duì)幾種典型的力學(xué)參數(shù)的貢獻(xiàn)率各不相同;差示掃描量熱分析(DSC)測(cè)試結(jié)果表明

5、相容劑的加入提升了復(fù)合材料中PA6的結(jié)晶峰溫度，同時(shí)使其結(jié)晶度降低;DMA測(cè)試結(jié)果表明含有相容劑的復(fù)合材料相比對(duì)照組體現(xiàn)出更為明顯的粘性特征。
　　針對(duì)在殼層及核層結(jié)構(gòu)中加入增強(qiáng)材料的研究。以少量的Kevlar纖維(KF)作為增強(qiáng)體加入至HDPE基體及木塑復(fù)合材料中，通過雙螺桿擠出機(jī)一次熔融共混及熱動(dòng)力高剪切攪拌機(jī)二次共混的方法使水解后的纖維在復(fù)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(qiáng)作用。研究發(fā)現(xiàn)這種

6、輕質(zhì)纖維在自身使用量很低的情況下即可對(duì)HDPE基體及WPC起到大幅增強(qiáng)效果，在彎曲強(qiáng)度和拉伸模量?jī)身?xiàng)數(shù)據(jù)中體現(xiàn)得尤為突出;紅外光譜測(cè)試證明了纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)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(yīng);DMA測(cè)試表明Kevlar纖維在HDPE中的使用可為復(fù)合材料帶來較為明顯的剛性增強(qiáng)，而相容劑MAPE的加入可提升HDPE/KF復(fù)合材料的粘性特征，同時(shí)，KF在WPC中的使用可于較高溫度區(qū)間內(nèi)增加復(fù)合材料的彈性特征。
　　針

7、對(duì)新型功能化核-殼結(jié)構(gòu)共擠出木塑復(fù)合材料的研究。采用實(shí)驗(yàn)型共擠出機(jī)組制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的共擠出WPC，研究這種材料的制備方法，以及在殼層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，以HDPE為基體，選擇PA6微纖維作為增強(qiáng)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(qiáng)度、斷裂應(yīng)變以及抗沖擊強(qiáng)度上與僅含有核層

8、結(jié)構(gòu)的WPC相比均有明顯提升，同時(shí)，在殼層結(jié)構(gòu)中加入占?xì)淤|(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度;與僅含有核層結(jié)構(gòu)的WPC相比，共擠出WPC在材料整體密度降低的情況下，彎曲強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度反而有明顯的提升;將占?xì)淤|(zhì)量10％（占復(fù)合材料整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2％）的硼酸鋅選擇性地加入至共擠出WPC的殼層結(jié)構(gòu)中，可降低材料的熱釋放速率峰值和總熱釋放量，并延長(zhǎng)點(diǎn)燃時(shí)間、減少總產(chǎn)煙量;長(zhǎng)期浸水實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

9、在試樣的兩端被密封或完全暴露于水中進(jìn)行測(cè)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(jié)構(gòu)在共擠出WPC中僅占較小的質(zhì)量和體積分?jǐn)?shù)，然而選擇性加入殼層結(jié)構(gòu)中的PA6微纖維對(duì)提高整體復(fù)合材料的力學(xué)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(duì)共擠出復(fù)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(jié)構(gòu)中加入增強(qiáng)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。木塑復(fù)合