增强壳层结构共挤出HDPE基木塑复合材料性能研究

【摘要】聚合物的共挤出技术能够使具有不同性能的多层物料在挤出过程中彼此复合在一起,从而使一种制品兼有几种不同材料的优良特性。将聚合物的共挤出技术运用于制备木塑复合材料(WPC),有可能设计由不同材料的核层及壳层结构所组成的产品,如果进而在壳层结构中加入功能化材料及助剂使其优化组合,则有望得到性能优良乃至功能性的共挤出木塑复合材料。本文从上述研究构思出发,制备具有增强壳层结构的共挤出木塑复合材料。首先分别研究复合材料核层结构及壳层结构的制备与性能,进而实施共挤出成型加工工艺,并系统地分析壳层结构对共挤出木塑复合材料性能的改善作用。本文主要研究内容和结果为：针对核层材料的研究。以高密度聚乙烯(HDPE)为塑料基体,利用4种不同的天然纤维原料(松木粉,甘蔗渣,稻秆,稻壳)制备HDPE/天然纤维复合材料,探索其制备方法和材料性能。研究发现,4种天然纤维都能够增强HDPE的弯曲和拉伸性能,但导致材料的抗冲击强度有所降低；在体系中加入助剂马来酸酐接枝聚乙烯(MAPE)可改善HDPE/天然纤维复合材料的综合力学强度,进一步加入马来酸酐接枝苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(MASEBS)可使复合材料的抗冲击强度得到提升；动态热机械分析(DMA)测试结果表明天然纤维的加入使复合材料的刚性特征更为明显,而复合材料储存模量的降低和损耗角正切的升高体现了MASEBS在复合材料体系中显著的增韧作用。针对新型壳层材料的研究。利用具有高熔点和高强度的工程塑料聚酰胺-6(PA6)增强HDPE基体,通过两步法,即造粒过程中趁热拉伸材料待冷却后再注塑成型的加工方式制备出HDPE/PA6微纤维复合材料,并分析其各项性能。复合材料的断裂面微观形貌证明了PA6在造粒过程中被拉伸成微纤维并原位存在于复合材料中,同时,适度的相容剂添加可调控PA6微纤维的直径,并使其在复合材料中呈有序的定向排列；PA6微纤维的加入明显增强了HDPE的弯曲和拉伸性能,但抗冲击强度有所下降,不同的相容剂对几种典型的力学参数的贡献率各不相同；差示扫描量热分析(DSC)测试结果表明相容剂的加入提升了复合材料中PA6的结晶峰温度,同时使其结晶度降低；DMA测试结果表明含有相容剂的复合材料相比对照组体现出更为明显的粘性特征。针对在壳层及核层结构中加入增强材料的研究。以少量的Kevlar纤维(KF)作为增强体加入至HDPE基体及木塑复合材料中,通过双螺杆挤出机一次熔融共混及热动力高剪切搅拌机二次共混的方法使水解后的纤维在复合材料中分散均匀,考察Kevlar纤维分别为纯塑料和WPC带来的增强作用。研究发现这种轻质纤维在自身使用量很低的情况下即可对HDPE基体及WPC起到大幅增强效果,在弯曲强度和拉伸模量两项数据中体现得尤为突出；红外光谱测试证明了纤维化学结构中的酰胺键经水解后断裂,并能够与相容剂MAPE发生酯化反应；DMA测试表明Kevlar纤维在HDPE中的使用可为复合材料带来较为明显的刚性增强,而相容剂MAPE的加入可提升HDPE/KF复合材料的粘性特征,同时,KF在WPC中的使用可于较高温度区间内增加复合材料的弹性特征。针对新型功能化核-壳结构共挤出木塑复合材料的研究。采用实验型共挤出机组制备具有核-壳结构的共挤出WPC,研究这种材料的制备方法,以及在壳层结构中加入功能化材料为整体共挤出WPC性能所带来的影响。在核层结构中以HDPE与废旧HDPE的混合塑料为基体,并使用成本较低的松木粉作为填充材料；在壳层结构中,以HDPE为基体,选择PA6微纤维作为增强体,使用少量的硼酸锌作为阻燃剂。研究发现,共挤出WPC在弯曲强度、断裂应变以及抗冲击强度上与仅含有核层结构的WPC相比均有明显提升,同时,在壳层结构中加入占壳层质量分数为20%的PA6微纤维能够比较显著地改善共挤出WPC的弯曲模量和弯曲强度；与仅含有核层结构的WPC相比,共挤出WPC在材料整体密度降低的情况下,弯曲强度和抗冲击强度反而有明显的提升；将占壳层质量10%(占复合材料整体质量分数仅为2%)的硼酸锌选择性地加入至共挤出WPC的壳层结构中,可降低材料的热释放速率峰值和总热释放量,并延长点燃时间、减少总产烟量；长期浸水实验结果表明,在试样的两端被密封或完全暴露于水中进行测试的条件下,共挤出WPC均体现出良好的耐水性能。综上所述,壳层结构在共挤出WPC中仅占较小的质量和体积分数,然而选择性加入壳层结构中的PA6微纤维对提高整体复合材料的力学性能产生了显著的作用；在含有PA6的HDPE壳层中添加少量硼酸锌,对共挤出复合材料产生一定的阻燃和抑烟作用。这表明,可以通过在壳层结构中加入增强材料和功能性助剂的方法改善共挤出WPC的整体性能,赋予其新的功能。
【作者】刘天；
【导师】王清文；吴清林；
【作者基本信息】东北林业大学，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】木塑复合材料；共挤出；核-壳结构；增强材料；功能化；力学性能；

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