木质填料热塑性塑料复合材料研究进展.docx
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木质填料热塑性塑料复合材料研究进展
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2009年第4期
玻璃钢/复合材料
9 3
木质填料/塑性塑料复合材料研究进展 热
李跃文
(湖南科技职业学院,湖南长沙400 104)
摘要:
介绍了木质填料的种类、量、寸和塑料的种类对木质填料/塑性塑料复合材料(C)能的影响,述了用尺热WP性综
WPC的界面改性、增韧改性、加工改性和成型技术等方面的研究进展。
关键词:
木质填料/塑性塑料复合材料;界面改性;增韧改性;加工改性;成型技术 热
中图分类号:
T339Q2.
文献标识码:
A
文章编号:
1009(090090 03—9920)4—03—7
木塑复合材料主要分为三类,一类是木片、第木
11木质填料 .木质填料包括木粉、稻糠、纤维、麻竹纤维、杆 秸和蔗渣等种类,它们的主要化学成分是纤维素、纤 半
粉等木质填料和酚醛树脂、醛树脂等热固性树脂 脲经热压成型而制得的复合材料,类材料由于在使 这
用过程中会释放甲醛,用范围正受到越来越多的 使
维素、木质素和抽提物,中纤维素分子链刚性和极 其性都很大,高度结晶并取向,且能赋予复合材料较高 的模量、伸强度和弯曲强度。
木质填料来源丰富,拉
据统计,国每年木材加工业废弃的木屑达数百万 我吨,大米加工业产生的稻糠数千万吨…。
这类填料
限制。
第二类是在低档次的木材中浸入聚合物单体
或预聚体,通过辐射或加热引发单体或预聚体聚合
所制得的复合材料,类材料性能优异,成本偏 这但高,以广泛应用;三类就是本文将要讨论的木质 难第
填料/热塑性塑料复合材料(C。
WP)
成本低廉,充到塑料中既可改善其性能又可降低 填
其成本。
1木质填料/塑性塑料复合材料 热
WPC具有很多明显的优点:
相应的塑料相 与比,C具有更好的拉伸强度、量、度、曲性 WP模硬弯
能和耐蠕变性能,自然的外观;木材相比,C更与WP 具有更好的尺寸稳定性、水性、护性和加工性 耐维
木粉添加到塑料中后,保持纤维束状结构,仍木
纤维具有较高的刚性和强度,一般具有一定的长 且
径比,因此除冲击性能外,合材料的其它力学性能 复
一
般都会随木粉的加入而改善。
但木粉含量过高,
能;有一定的生物降解性和可回收性,保性较好;环 可大量利用废旧塑料和木粉、杆、糠等农、业 秸稻林的废弃物,成本低廉,可减少白色污染。
正是由于 且其优良的性能、廉的成本和较好的环保性,C低WP
已成为人们研发的热点。
其分散性变差,结构中的缺陷增加,合材料的力学 复
性能会劣化。
因此,C只有在木粉与塑料配比适 WP当时才会取得最佳的综合力学性能。
最佳的木塑比
比值大小与复合材料的成型方法、相容剂或偶联剂
的种类和用量等因素有关见表1 。
表1聚丙烯(P/ P)木粉复合材料取得最佳力学性能时的木塑比
注:
数据来源见参考文献[2~7,]部分数据进行了换算。
收稿日期:
20-42 080-9作者简介:
李跃文(95),男,副教授,主要从事聚合物基复合材料方面的研究。
16一
IC ?
2li. P/] 0 o4
木质填料/热塑性塑料复合材料研究进展
2009年8月
木粉的粒径对复合材料的性能也有影响。
李兰
杰 等研究了木粉粒径对高密度聚乙烯(DE基 HP)WPC性能的影响,果表明,10~80 ̄范围 结在05pm内,径较大的木粉有利于复合材料弯曲性能和冲 粒
模量和弯曲模量显著增加,伸强度变化不明显,拉而
冲击强度和伸长率递减;随纤维长度增加,复合材料
的模量和拉伸强度递增,冲击强度和伸长率递减。
而 刘丽妍 等以PP长丝作为基体,麻纱线为增强 亚体,两者按一定体积含量进行捻合,成合股纱,形采
用机织的方法织造亚 PP共织平纹布,选取五层
击性能的提高;伸强度随木粉粒径的增大呈先上 拉升后下降的趋势,粒径为20,时出现最大值;在01zm 在10—51范围内,010xm熔体流动速率(F随粒 MR)
径的增大而减小,10~80z粒径范围内,大 在551.m较
平纹布进行层合热压,得了拉伸性能优良的亚麻 制
增强PP热塑性复合材料薄板。
12塑.料
的粒径有利于MF的提高;合考虑,径为10R综粒8
~
20m的木粉可赋予WP51xC较佳的综合性能。
赵
用于制备WP的热塑性塑料主要有PP、CE、P PC聚苯乙烯(S、烯晴/二烯/乙烯共聚 V、P)丙丁苯物(B)PM等,AS、O塑料在WPC中主要起粘结填料 和传递应力的作用。
塑料本身的性质对WPC的性能有显著影响。
王正、文静 郭等的研究表明,过对线型低密 通度聚乙烯(LP、SPLDE)P、P三种树脂(为新料)均分 别与木粉制得的WPC进行比较,LDE性软而 因LP韧,WP其C的弯曲强度和弹性模量都最低,冲击 但强度最高;S性硬而脆,WPP其C的弯曲强度和弹性
永生 等比较了不同粒径、同树种的木粉对聚氯 不乙烯(V基WPPC)C力学性能的影响,现同为杨 发木,径为10z的木粉制备的WP粒51,mC力学性能比 22x的要好;为22m的木粉,杉木粉制得 1tm同1v云的WPC力学性能比杨木粉要好。
稻糠来源广泛,稻糠代替木粉制备WP用C已 得到了人们的重视。
应伟斌¨。
用稻糠分别与 。
等HPDE和聚甲醛(O制得了WP结果显示,PM)C,随
稻糠含量的增加,种复合材料的弯曲模量、变形 两热
温度都明显提高;拉伸强度、服强度和冲击强度均 屈明显下降。
稻糠的纤维短小,单用稻糠与塑料复合 难以取得良好的力学性能,如果部分采用稻糠,分 部
模量都最高,冲击性能最差;P但而P的特点是硬而
韧,以其WP所C的冲击性能、曲强度、弯弹性模量及 拉伸强度都相对居中,综合性能最佳;LDEP 将LP、S与木粉复合制得的三元复合材料,克服LDE和 可LPPS两者存在的不足;LDE与P在LPS的质量比为5 :
5共混温度为20C时,元复合材料物理力学性 ,0o三能最好,性能接近于P/粉复合材料的力学性 其P木能,外观质量更好。
而回收P、E、P制得的 且SPPWPC中,回收PS制得的WPC综合性能最好,回收
采用木粉,则可通过较长纤维的木粉弥补稻糠纤维
短小的不足,发出较高强度的木塑复合材料。
林 开建国¨ 等将质量比为11的稻糠/粉混合填料与 :
木聚乙烯(E复合制得的WPP)C加工性能、曲强度、弯 拉伸强度、冲击强度和弹性模量均比全部用木粉制
得的WPC要好。
麻纤维具有高的拉伸强度,是一种低成本、高性
能、可再生的增强填料。
人们对苎麻、剑麻、麻、黄亚
PE的其次,回收PP的最差,可能与回收P这P降解
严重有关。
应伟斌_“的研究表明,O/1等。
PM稻糠和 HP/DE稻糠复合材料相比,O基复合材料的拉伸 PM性能、曲性能和耐热性均优于HDE基复合材料,弯P 而冲击性能则比HDE基复合材料要差。
P
麻等在热固性树脂中的应用已经进行了大量的研 究¨ 。
近年来,塑性塑料/纤维复合材料也 热麻引起了人们的重视。
张一甫¨ 等研究了PC包覆 V处理对苎麻落麻纤维的吸水性、维表面状态、维 纤纤单丝强度等的影响,结果表明,VPC包覆处理后,苎
2界面改性
木质填料为强极性材料,常用树脂的极性 而
麻落麻纤维的表面变得光滑平整,吸水性降低;V PC处理后苎麻落麻纤维的单丝强度虽有所下降,与 但PP的界面结合力增大,此,V因PC处理后苎麻落麻 纤维/P复合材料的拉伸强度和弯曲强度提高了 P
2%左右。
张安定 等将黄麻纤维与P0P共混造粒 后通过注塑成型制备了P/P黄麻复合材料试样,研
较弱甚至无极性,者相差很大,其界面相容 两故
性不理想,重影响了复合材料力学性能的进一 严
步改善。
21木质填料表面酰化处理 .用酸酐、氯等酰基化试剂处理木质填料后,酰木 质填料表面强极性的羟基可部分与酰基化试剂反应 生成极性较弱的酯基,塑的界面相容性因而得到 木
改善。
究了黄麻纤维含量和长度对复合材料力学性能的影 响,结果显示,纤维含量的增加,随复合材料的拉伸
FPC 2R/M强 N.o
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秦特夫 。
用乙酸酐对几种不同树种的主要 等成分进行了酰化处理,外光谱(R)明,材的 红I表木主要成分木质素、维素和半纤维素都有新的弱极 纤性酯基生成,强极性的羟基数量减少;质素酰化程 木
度大于纤维素。
Makkdn等选择苯甲酰氯酰 niaa 化木纤维,描电镜(E显示,未酰化的对照 扫SM)与
基的高分子树脂,相容剂所带酸酐基团和羧基能与 木粉表面的羟基反应产生化学联结,而其非极性或 弱极性的高分子链能与树脂较好地相容,而增加 从
木塑间的相容性。
相容剂与木粉的配比也存在一个
最佳值,相容剂的用量以恰好能覆盖所有木粉表面
为最理想,少不能充分发挥相容作用,过过多则由于
材料相比,化纤维与P酰S界面粘合更强,料的拉 材
抻强度显著改善。
22加偶联剂 .偶联剂含亲水和亲油两种基团,复合材料中 在
相容剂本身的力学性能较差,复合材料的性能会降
低。
相容剂与木粉的最佳配比比值的大小与相容剂
种类、混体系、粉粒径和形态等因素有关见表 共木2。
尹以高 等研究了乙烯/烯酸共聚物(A 丙EA)
对P/P木粉、P/粉和低密度聚乙烯(DE) HDE木LP/木粉复合材料性能的影响,现EA能明显改善三 发A
加入偶联剂后,联剂分子会富集在木粉和树脂的 偶
界面,通过其亲水基团与木粉表面产生相互作用、亲 油基团与树脂产生相互作用,而增强两相间的相 从容性。
常用的偶联剂有硅烷、酸酯、酸酯、氰酸 钛铝异
者的拉伸性能和冲击性能,而对弯曲性能影响不大。
庄乃银 、绍华 等的研究表明,PgMA能 冯P—.H
提高PP基WPC的拉伸强度、曲强度、弯硬度和简支 梁冲击强度,E表明,PgMH能改善木塑间的 SMP——A
酯和硬脂酸。
偶联剂对复合材料的改性效果与其含 量有关,当偶联剂在木粉表面形成单分子层时,复 对
合材料的改性效果最好。
偶联剂用量过少,不足 则
相容性。
王玮 等比较了马来酸酐(A/C、MH)DP MA/乙烯(t/DP原位增容和马来酸酐接枝 H苯S)CASASgMA对AS木粉复合材料的增容效 B(B——H)B/果,现ASgMA发B——H对复合材料的增容效果好于原
位增容。
刘文鹏 等比较了P..H、B—.PgMAASg MA和马来酸酐接枝PP..H)P基 HE(EgMA对PWPC的改性效果,现三者中AB-—H的改性 发SgMA效果最好;容剂与偶联剂并用有协同效应。
李兰 相
以覆盖所有填料表面,能充分改善木塑的界面相 不容性;用量过多,而则多余的偶联剂会富集在木塑界 面,削弱木塑两相间的粘结强度。
李凯夫 等选择
钛酸酯和铝酸酯偶联剂对PC基WPVC进行改性,
结果表明,酸酯和铝酸酯均能改善复合材料的力 钛
学性能,钛酸酯的改性效果要好得多;但钛酸酯和铝
酸酯的用量为树脂的15.%时,复合材料的综合力 学性能较佳。
MansBnto_lgu egsn22s6 等研究了乙烯
基三甲氧基硅烷对PE基WPC结构和性能的影响, 结果表明,烷能改善复合材料的拉伸强度、硅冲击强
杰
等的研究表明马来酸酐接枝HPHDE DE(P.
gMA和马来酸酐接枝茂金属聚乙烯(Eg -H)mP-—
MA能显著提高HPH)DE基WPC的拉伸强度、冲击
强度、曲强度和弯曲模量。
宋国君 引等也进行了 弯类似的研究,果同样显示HP—.H能提高 结DEgMA
度、刚性、耐蠕变性和耐水性,降低了复合材料的 但
弯曲模量和断裂伸长率;水蒸汽的存在会增强硅烷 的偶联效果;E显示,硅烷后,塑间的相容性 SM加木和粘结强度都得到了改善;示扫描量热(S)差DC显
示,硅烷后,体的结晶度会下降。
SnaM..加基oi B
Ncta ahil副等比较了硅烷和P——A对PglPgMHP基
PE基WPC的拉伸强度和弯曲强度,使其缺口冲 但击强度有所下降。
王如寅 等的研究表明,J/乙烯 甲基丙烯酸共聚物EA能够有效改善HDE基 MAP
WPC的加工性能和力学性能;于不同相对分子质 对量和官能团含量的EA,MA当其酸值相同时,对分 相子质量越大,增容效果越明显。
吴远楠。
比较 其加等
wPC的改性效果,果表明硅烷有更好的改性效 结
果。
林建国L2比较了钛酸酯和硬脂酸(白油) 等加
对PE基WPC的改性效果,果表明,酸酯的改 结钛
了乙烯/酸乙烯酯共聚物(V、AP.—醋EA)EA、Pg
MH、EgMH对HDE基WP的改性效果,AP——APC发
性效果好于硬脂酸。
异氰酸酯对WPC也有良好的 改性效果 J但有一定的毒性。
,
23加相容剂 .用于WPC的相容剂主要是带有酸酐基团和羧
现EA、PgMH和P—.H均能显著提高复 AP——AEgMA合材料的力学强度,者中以P.—H的改性效 三PgMA
果最好。
F ℃Aj0}N 4鬻】厦:
2 ..
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木质填料/热塑性塑料复合材料研究进展
2009年8月
注:
数据来源见参考文献[13,4,63,O,3,333,84]部分数据进行了换算。
3增韧改性
由于木纤维本身刚性较大,木质填料与树脂 且相容性较差,塑料与木质填料复合后,复合材料的冲 击强度一般会低于原塑料。
有些偶联剂或相容剂虽 可改善复合材料的冲击性能,效果有限。
目前研 但究最多的是利用弹性体增韧,性体本身具有极好 弹的韧性,且加入到复合材料中后,并可引发大量的银 纹和剪切带,而吸收大量的冲击能,可大幅度提 从故
纤维断裂和基体断裂为主。
4加工改性
高填充量的WPC在成型过程中往往会出现 熔体流动困难、易烧焦、品表面质量差等问题,容制 加入适当的润滑剂是解决这类问题的有效手段。
润 滑剂可改善聚合物熔体的流动性,少熔体与加工 减机械问的摩擦与粘附,善制品的表面质量。
WP 改C润滑剂的选用原则与相应的塑料基本相同,要避 但
高复合材料的冲击强度。
尹以高 等研究了甲基
丙烯酸甲酯/丁二烯/乙烯共聚物(S对P/苯MB)P木
免同时使用硬脂酸金属皂和马来酸酐接枝聚合物,
因为这两者同时使用有对抗效应。
方晓钟 等研
粉、P/HDE木粉和LP/粉三种复合材料的改性 DE木作用,果表明,S能明显地提高复合材料的冲 结MB
究了聚乙烯蜡、硬脂酸锌和复合润滑剂Ok一0pa10对 PE木塑复合材料加工性能和力学性能的影响,果 结表明,P在E木塑复合材料中,当木粉含量达到6% 0时,滑剂用量须达到约2时才能顺利挤出;滑 润%润剂用量为2时,用聚乙烯蜡、脂酸锌复合润滑 %使硬剂和使用Ok一0产品的物理力学性能没有明显 pa10,
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