聚氯乙烯复合材料的研究.pdf

1、芦苇纤雏聚氯乙烯复合材料的研究 上海塑料200年第2期(总第150期) 新产品新技术 芦苇纤维聚氯乙烯复合材料的研究 杨中文，刘西文 (湖南科技职业学院，湖南长沙410118) 摘要采用芦苇纤维填充聚氯乙烯，研究了芦苇纤维预处理、芦苇纤维用量及粒径对复合材料性能的影响。发现对芦苇纤维进 行碱处理、偶联剂处理可提高复合材料的拉伸强度，但冲击强度略有下降；芦苇纤维用量的增加、粒径增大会使复合材料拉伸强 度和冲击强度下降。 关键词 芦苇纤维；聚氯乙烯；复合材料 中图分类号：TQ 32066” 文献标识码：A 文章编号：10095993(2010)020013一O4 0前言 1 实验部分 湖南省现有芦

2、苇面积73万公顷，占全国芦苇 面积的133 ；年产芦苇90万t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 8O 的造纸企业，造成了大量芦苇需要寻找新的用 途。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。 植物纤维填充热塑性塑料是近年来复合材料 研究的热点之一。该类复合材料具有节约资源、环 保等特点，而且复合材料具有塑料及木材的优点 。 但目前研究大多集中在木粉填充改性热塑性塑料， 用芦苇纤维与PVC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

3、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、芦苇纤维的用量及粒径 等对复合材料力学性能的影响。 收稿日期：20100406 支助项目：湖南省教育厅支助课题(O9C1189)；湖南科技职业学院 支助课题(KJ08006) 作者简介：杨中文(1963一)，男，硕士，教授，从事塑料加工技术教 学与科研工作。 11主要原辅材料 PVC，SG一5，株洲化工集团； 芦苇纤维(湖南沅江)，过筛得到75 m，106 tLm，150 m，270 tLm等芦苇粉，自制； 硅烷偶联剂，KH560，南京曙光化工总厂； 硬脂酸、ACR401，

4、ACRKM一355，二盐基亚磷 酸铅、三盐基硫酸铅、硬脂酸钡、碳酸钙、邻苯二甲 酸二辛酯(DOP)等均为市售工业级产品。 12仪器与设备 高速混合机，GH一10，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一45，长沙橡胶机械厂； 万能制样机，ZHYW，中山试验机总厂； 电子拉力机，LDX一200，济南兰光机电技术有 限公司； 简支梁冲击实验机，XCJ一4，承德市材料试验 机厂； 真空干燥箱，DZF60522，杭州得辉环境检测设 备有限公司。 13芦苇纤维的预处理 用质量分数为20 的NaOH溶液浸泡芦苇纤 维粉48 h，用蒸馏水冲洗干净，去掉残留的NaOH，

5、 冲洗干净；再将芦苇纤维粉置于真空干燥箱中，185 下真空干燥4 h；除去芦苇纤维粉中的水分和其 他易挥发的组分；然后将硅烷偶联剂的水溶液喷雾 一1 3 芦苇纤维聚氯乙烯复合材料的研究 上海塑料2010年第2期(总第150期) 到芦苇纤维粉上，搅拌混合均匀，干燥备用 。 14试样的制备 芦苇纤维PVC复合材料基础配方： PVC 1oo份 三盐基硫酸铅 2份 二盐基亚磷酸铅 3份 硬脂酸 o5份 硬脂酸钡 15份 ACRKM-355 5份 ACR401 1份 DOP 2O份 芦苇纤维 x份 X分别为1O，3O，5O份，偶联剂用量为芦苇纤 维用量的1 工艺路线： 三 三-+高速混合 开炼塑化 工艺

6、条件： 高速混合温度1lO。C，时间8 min；开炼塑料温 度165175，时间12 min；压制温度185195 ，时间8 min。 15性能测试 拉伸强度按GBTlO49-92测定，拉伸速率5 mmmin，温度为25。C；冲击强度按GBT1O43 93，测试，样条无缺口。 2结果与讨论 21 芦苇纤维碱处理对复合材料的影响 对植物纤维进行碱处理是纤维改性的传统方 法。碱处理法使植物纤维中的部分果胶、木素、半 纤维素等低相对分子质量的杂质被溶解，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_2蜘。另一方面，碱处理导致纤

7、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。 芦苇纤维碱处理对复合材料性能的影响，如表 1所示。由表1可知：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。 1 4一 表1 芦苇纤维碱处理对复合材料性能的影响 Tab1 Effect of alcali treated reed fiber on composite material properties 性能 拉伸强度 冲击强度 处理情况 MPa(kJm ) 禾碱处理 348 】05 碱处理 385 82 备注：芦苇纤维粒径为150,am，用量5O份。 碱处理芦苇

8、纤维填充到PVC中，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PVC树脂的接触面积及黏合力， 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 PVC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。 22芦苇纤维偶联剂处理对复合材料的影响 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

9、 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。试验表明：硅烷偶联剂处理芦 苇纤维填充PVC，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2所示。 表2 芦苇纤维偶联剂处理对复合材料性能的影响 Tab 2 Effect of organesilane treated reed fiber oll composite material properties 未偶联剂处理 348 105 偶联剂处理495 101 备注：芦苇纤维粒径为I50,um，用量5O份。 芦苇纤维与PVC由于极性相差较大，所以它 们之间的相容性差。通过偶联剂处理芦苇纤维，提 高了芦苇纤维与

10、PVC的相容性，使芦苇纤维与 PVC树脂基体有很好的结合，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(一SiOH)一方面与纤 维素表面的极性基团(一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 芦苇纤维聚氯乙烯复合材料的研究 上海塑料2010年第2期(总第150期) 与PVC分子链上的一Cl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PVC相容性提高后，纤维与基体结 合牢固，

11、复合材料的刚性提高，导致材料的韧性下 降。研究表明：填料与基体塑料界面黏结强度并不 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。 23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

12、性能越好。但颗粒的粒 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，加工较细的颗粒较困难。 本研究采用粒径为75 m，106#rn，150 m，270 m等芦苇粉，在填充量为5O份时进行研究。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3所示。 表3芦苇纤维粒径对复合材料性能的影响 Tab3 Effect of reed fiber particle size on composite material properties 性能 拉伸强度 冲击强度 粒

13、径 m MPa(kJm ) 5 bZ i43 106 495 101 150 456 82 270 397 65 备注：对芦苇纤维进行偶联剂处理，未进行碱处理。 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，特别是偶联剂处理纤维后，纤维与 树脂有较好的相容性。另外，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 伸强度与冲击强度均较高。 24 芦苇纤维用量对复合材料性能的影响 除增强填料外，一般来说填料量增加，材料的 强度有所下降。用芦苇纤维填充PVC制得复合材 料也符合该规律。本研究对粒径150 m的芦苇纤 维填料进行

14、偶联剂处理，填充量分别为0份，l0 份，3O份，5O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4所示。 表4 芦苇纤维用量对复合材料性能的影响 Tab 4 Efiect of the contents of reed fiber on composite material properties 0 6 33， 10 614 263 3O 521 195 5O 495 105 备注：对芦苇纤维进行偶联剂处理，未进行碱处理。 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

15、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 填充体系的有所降低。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

16、更多的应力集中点，而且更严重地影响了作 为主要受力部分的PVC基体的连续性，从而使复 合材料的冲击强度下降。 3 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PVC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， 一1 5 芦苇纤维聚氯乙烯复合材料的研究 上海塑料2010年第2期(总第150期) 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用量对材料性 能影响较大，芦苇纤维用量越大，复合材料的拉伸 强度及冲击强度越低。 参考文献： 1钟鑫，薛平，丁绮改性木粉PVC复合材料的性能研究 EJ中国塑料2004，18(3)：6266 2殷

17、古祥，杨光，彭肇清，等非木纤维填充PVC新型复合材 料的研制VJ化学建材2004，(1)：33-34 郑玉涛，陈就记偶联剂与甘蔗渣PVC复合材料性能的研 究EJ中国塑料，2005，19(6)：9496 揣成智，李树，蔺艳琴聚丙烯接枝木纤维复合材料相容性 及性能的研究J中国塑料2000，14(5)：2328 Rana A K，Mandal A，et a1Short fiber reinforced poly propylene composites：Effect of compatibilizerjJ Appl Polym Sei，1998，69：329338 Selke S E，Wichman

18、 IWood fmerpoiyolefin composites JComposites Part A，2004，35：321-326 陈军，倪海鹰聚乙烯稻草纤维复合材料的研究J塑料 工业，2000，28(2)：3031 李忠明，杨鸣波秸秆聚丙烯复合材料J塑料工业， 2000，28(4)：9-11 Study on、Reed FiberPVC Composites Material YANG Zhongwen，LIU Xi-wen (Hunan Vocational College of Science&Technology，Changsha 4 1 0 1 1 8，China) Abstra

19、ct：Polyviny chloride was modified by filling with reed fiberThe effects on composite material properties，such as reed fiber pretreatment，cotents of reed fiber and reed fiber particles size，were re- searchedThe results showed that the tensile strength can be increased by alcali treated reed fiber and

20、 organosilane(KH 560)treated reed fiber，but the impact strength were decreased a littleWith the con tents of reed fiber inereased and the reed fiber particle diameter increased the tensile strength and the impact strength were decreased Key words：reed fiber；PVC；composite materia1 罗地亚推出新型高性能聚酰胺复合材料 罗

21、地亚在5月27日于荷兰阿姆斯特丹举办的 德国杜塞尔多夫国际塑料及橡胶展展前新闻发布 会上，宣布推出一种以高性能聚酰胺制成的复合 材料。 秉承罗地亚一贯的创新策略，这项新产品是现 有Technyl 系列用于注塑、挤出、吹塑的全新补 充，显示其在热塑性复合材料领域的技术突破。这 是专为结构应用所设计的。 凭借在聚酰胺与配方方面全面的化学专业技 术，罗地亚开发出一种以聚酰胺为基础的独家专利 模具，完全适合连续纤维复合材质(玻璃或碳纤维) 的应用。 新型合成树脂具有流动性佳等优点，不仅能充 分渗入、填充到增强纤维内部，同时还能提供精湛 的界面，以满足半成品的性能标准。 这一新系列半成品的优异性超越现有热塑复 合材料的硬度、强度、抗老化和可再生性，拥有预浸 织布或硬板两种形式。 罗地亚工程塑料市场总监Vincent LAJ0TTE 表示：“罗地亚将通过该出色的产品，开拓高性能热 塑性复合材料全新的应用范围。凭借其先进的技 术特点，不仅使其能够替代金属和铝，同时也是替 代现有复合产品的另一种选择。” 各种用于结构性和机械性增强的组件不久将 可采用此项突破性技术。另外，以聚酰胺为基础的 复合材质模具也将加快在交通运输、建筑业与其它 工业市场的创新进程。