童 偉，薛 平 ，賈明印，丁 筠*，嚴(yán)自立，張建春

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100029； 2. 中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082）

麻纖維增強(qiáng)聚乙烯復(fù)合材料的制備及性能研究

童 偉1，薛 平1，賈明印1，丁 筠1*，嚴(yán)自立2，張建春2

（1. 北京化工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100029； 2. 中國(guó)人民解放軍總后勤部軍需裝備研究所，北京 100082）

通過雙螺桿擠出造粒，注塑成型制備了麻纖維增強(qiáng)高密度聚乙烯（HDPE）復(fù)合材料，測(cè)試了復(fù)合材料的力學(xué)性能并觀察其微觀結(jié)構(gòu)，分析了相容劑馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）的用量和麻纖維的含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明： PP-g-MAH的加入提高了苧麻/HDPE復(fù)合材料的力學(xué)性能，并且在PP-g-MAH含量為5%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最高，提高了12%；在PP-g-MAH含量為10%時(shí)，具有最佳的抗沖擊強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長(zhǎng)率，分別提高了113%和125%。此外，隨著麻纖維含量在0%~20%內(nèi)逐漸增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨之提高，麻纖維含量為20%時(shí)提高了28%。掃描電鏡（SEM）斷面形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著相容劑含量的增加，改善了樹脂基體對(duì)麻纖維的包裹，有效地增強(qiáng)了HDPE與麻纖維的界面粘接。

苧麻纖維；HDPE；增強(qiáng)；力學(xué)性能；微觀結(jié)構(gòu)

天然纖維高分子復(fù)合材料作為一種物美價(jià)廉的綠色材料已經(jīng)受到人們?cè)絹碓蕉嗟那嗖A，并且已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多種行業(yè)。麻纖維作為天然纖維當(dāng)中的一種，纖維長(zhǎng)度長(zhǎng)，具有較高的取向度、結(jié)晶度及縱向彈性模量[1]，與玻璃纖維相比較，麻纖維密度小、比強(qiáng)度高、其成本和生產(chǎn)能耗也比較低，并且麻纖維具有良好的自然降解性。麻纖維高分子復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用已然成為近年來綠色新材料的研究熱點(diǎn)之一。

由麻纖維分子構(gòu)成可知，麻纖維中含有大量的羥基，這些羥基之間形成氫鍵使得麻纖維具有很強(qiáng)的親水性，然而很多聚合物基體如聚烯烴等都是疏水性的，導(dǎo)致麻纖維與樹脂基體的界面相容性較差，從而降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，麻纖維與樹脂基體的界面相容性問題一直是制備具有良好力學(xué)性能復(fù)合材料的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段解決該問題的化學(xué)方法主要有堿液處理、偶聯(lián)劑處理和相容劑界面粘結(jié)等，其中相容劑處理方法操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛并且具有比較明顯的效果。Mariano Pracella[2]等利用PP-g-GMA改性大麻/PP復(fù)合材料，結(jié)果表明由于相容劑的加入有效提高界面粘結(jié)和復(fù)合材料的延展性和剛性，同時(shí)改善纖維在樹脂基體中的分散。此外，馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）在解決相容性問題方面也具有突出的效果[3,4]。另一方面，麻纖維含量也是是影響麻纖維高分子復(fù)合材料各項(xiàng)力學(xué)性能的重要因素。J.R.Araujo[5]等就卡羅阿葉纖維/HDPE復(fù)合材料中纖維含量對(duì)復(fù)合材料的拉伸以及彎曲性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著卡羅阿葉纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度分別提高了55%和95%。

本文以經(jīng)過預(yù)處理的苧麻落麻纖維作為增強(qiáng)材料，以高密度聚乙烯（HDPE）作為聚合物基體，將原料通過雙螺桿擠出機(jī)造粒，并注塑成型復(fù)合材料樣條，研究相容劑含量以及麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和形態(tài)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

HDPE樹脂：5010，盤錦石化生產(chǎn)。硅烷偶聯(lián)劑：KH550，市售。馬來酸酐接枝聚丙烯（PP-g-MAH）：上海日之升新技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)。硬脂酸：市售。苧麻落麻：湖北嘉魚富仕紡有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器

烘箱：SFG-02.400型，黃石市恒豐醫(yī)療器械有限公司。高速混合機(jī)：SHR-50A型，張家港市三興江帆機(jī)械廠。同向雙螺桿擠出機(jī)：KS20，昆山科信橡塑機(jī)械有限公司。注塑機(jī)：TTI-90F2，東華機(jī)械有限公司。萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)：XWW-20型，承德金建檢測(cè)儀器有限公司。沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)：ZBC3 1400-2型，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司。掃描電子顯微鏡（SEM）：S-4700型，日本HITACHI公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

將經(jīng)過偶聯(lián)劑處理和高速混合機(jī)分散的麻纖維與HDPE樹脂按不同的比例混合加入雙螺桿擠出機(jī)中造粒，再將充分干燥的粒料加入注塑機(jī)中制備樣條。在研究PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料影響的實(shí)驗(yàn)中，苧麻纖維與HDPE含量分別固定為20%和80%，相容劑變量分別為：0、5%、10%、15%、20%；在研究苧麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料影響的實(shí)驗(yàn)中，PP-g-MAH含量固定為10%，麻纖維變量分別為：0、5%、10%、15%、20%。

1.4 復(fù)合材料的力學(xué)性能測(cè)試

將苧麻/HDPE復(fù)合材料的粒料制成的標(biāo)準(zhǔn)樣條，拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040-2006標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定；抗沖擊強(qiáng)度按照GB/T1043-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無缺口樣條測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的影響見圖1，對(duì)拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響見圖2，對(duì)拉伸模量的影響見圖3。

圖1 PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of PP-g-MAH content on the impact strength of the composite

圖2 PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.2 Effect of PP-g-MAH content on the tensile strength and elongation at break of the composite

圖1給出了PP-g-MAH含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的影響。

圖3 PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料拉伸模量的影響Fig.3 Effect of PP-g-MAH content on the tensile modulus of the composite

從圖1中可看出PP-g-MAH加入改善了苧麻/HDPE復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度。隨著PP-g-MAH含量增高，抗沖擊強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)加入的相容劑含量為10%時(shí)，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度達(dá)到43 kJ/m2，比無相容劑的復(fù)合材料提高了113%，復(fù)合材料的沖擊性能提高顯著；但隨PP-g-MAH含量繼續(xù)增加，在10%~20%的區(qū)間復(fù)合材料的沖擊性能呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

圖2是PP-g-MAH含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率的影響曲線，從圖2中可以看出加入相容劑之后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有提高。PP-g-MAH含量為5%時(shí)，復(fù)合材料所表現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度最好，達(dá)到32 MPa，比無相容劑復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了12%；當(dāng)PP-g-MAH含量提高至10%時(shí)，復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率最高，比無相容劑時(shí)提高了125%，繼續(xù)提高PP-g-MAH含量，復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率略有下降。

圖3是PP-g-MAH含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料拉伸彈性模量的影響，從圖3中可以看出復(fù)合材料拉伸模量隨PP-g-MAH含量增加緩慢上升，在PP-g-MAH含量為15%時(shí)達(dá)到峰值3 456 MPa，提高了70.2%，繼續(xù)增加PP-g-MAH含量，拉伸模量略有下降。

2.2 PP-g-MAH含量對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響

PP-g-MAH含量分別為0%、5%、10%、15%的電鏡掃描照片見圖4(a)、(b)、(c)、(d)。

圖4 復(fù)合材料斷面SEM圖Fig.4 SEM micrographs of the fractured surface of the composite

從圖4(a)中可以看出未加PP-g-MAH，復(fù)合材料斷面有很多突出的麻纖維，隨著PP-g-MAH含量的逐漸增加，圖4(b)、(c)、(d)中裸露在HDPE樹脂基體表面的麻纖維逐漸減少，PP-g-MAH增強(qiáng)了樹脂基體與麻纖維表面界面的粘結(jié)以及樹脂基體對(duì)麻纖維的包裹。

結(jié)合前面圖1-3力學(xué)性能測(cè)試分析表明PP-g-MAH與樹脂基體具有良好的相容性，在合適的用量范圍內(nèi)，加入PP-g-MAH能夠在一定程度上改性麻纖維表面，即與纖維中羥基基團(tuán)的共價(jià)鍵連接形成酯鍵，中和苧麻纖維的極性，降低麻纖維的表面能，提高麻纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)，增強(qiáng)樹脂基體對(duì)麻纖維的包裹，與樹脂基體產(chǎn)生有效粘結(jié)，因此在一定用量范圍內(nèi)隨含量增加能提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。但是隨PP-g-MAH用量繼續(xù)增加，在麻纖維周圍存在反應(yīng)剩余的PP-g-MAH，PP-g-MAH分子鏈自我纏結(jié)反而降低了麻纖維與樹脂基體的粘結(jié)，從而降低了力學(xué)性能[6]。

2.3 麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

由前面2.1節(jié)可以看出，在PP-g-MAH含量為10%時(shí)，苧麻/HDPE復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最優(yōu)，因此，在PP-g-MAH含量為10%的基礎(chǔ)上分析麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響見圖5，對(duì)拉伸模量的影響見圖6，對(duì)抗沖擊強(qiáng)度的影響見圖7。圖5給出了麻纖維含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響，從圖5中可以看出保持PP-g-MAH含量不變時(shí)，隨著麻纖維含量由0%增加到20%，拉伸強(qiáng)度由24.7 MPa提高至32.7 MPa，增加了32.4%；斷裂伸長(zhǎng)率隨著麻含量的增加有所降低，復(fù)合材料的延展性略有下降。

圖5 麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的影響Fig.5 Effect of ramie fibre content on the tensile strength and elongation at break of the composite

圖6 麻纖維含量對(duì)拉伸模量的影響Fig.6 Effect of ramie fibre content on the tensile modulus of the composite

圖7 麻纖維含量對(duì)復(fù)合材料抗沖擊性能的影響Fig.7 Effect of ramie fibre content on the impact strength of the composite

圖6是麻纖維含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料彈性模量的影響，隨著麻纖維含量的增加，拉伸模量呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，由1 004 MPa提高至4 231 MPa，增加了3倍。圖7給出了麻纖維含量對(duì)苧麻/HDPE復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度的影響，在0%~20%的范圍內(nèi)增加苧麻纖維的含量，復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)。當(dāng)麻纖維含量在0%~10%之間時(shí)，復(fù)合材料抗沖擊強(qiáng)度下降緩慢，復(fù)合材料韌性保持較好；繼續(xù)增加苧麻纖維含量時(shí)，復(fù)合材料的沖擊性能開始降低。

可見麻纖維含量的增加能夠有效改善復(fù)合材料的拉伸性能，尤其對(duì)于拉伸彈性模量的提高具有顯著的影響，但是對(duì)于復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度沒有明顯改善。在提高了纖維含量之后，復(fù)合材料的彈性模量有所上升同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率有所下降，這可能是因?yàn)榧尤氲穆槔w維會(huì)阻止由高分子鏈的運(yùn)動(dòng)所造成的塑性變形[5]。另外，在保持相容劑含量不變的條件下，麻纖維的增多勢(shì)必在一定程度上降低樹脂基體界面粘結(jié)和包裹，同時(shí)，隨著麻纖維含量的增加，在樹脂基體內(nèi)部麻纖維含量較多的地方由于與樹脂基體的粘附較差容易在粘結(jié)面形成微裂紋或產(chǎn)生不均勻應(yīng)力[7]。由這兩方面原因，在麻纖維復(fù)合材料中提高麻纖維含量會(huì)導(dǎo)致抗沖擊強(qiáng)度的下降。

3 結(jié) 論

（1）PP-g-MAH對(duì)于苧麻/HDPE復(fù)合材料的力學(xué)性能有較好的改善作用，特別是對(duì)抗沖擊強(qiáng)度和拉伸模量的改善最為明顯。與不加PP-g-MAH相比，PP-g-MAH含量為10%時(shí)，復(fù)合材料具有最佳的抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)拉伸強(qiáng)度、拉伸彈性模量與斷裂伸長(zhǎng)率也均有顯著提高。

（2）在0%~20%范圍內(nèi)，麻纖維含量增加對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量具有良好的增強(qiáng)作用，其中拉伸模量提高了3倍；逐漸增加麻纖維含量復(fù)合材料的沖擊性能和斷裂伸長(zhǎng)率略有降低。

（3）SEM觀察顯示加入PP-g-MAH有利于改善麻纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)與包裹，使苧麻纖維與HDPE界面結(jié)合力加強(qiáng)，防止麻纖維從樹脂基體中拔出，從而提高麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。

［1］張璐,黃故.麻纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料及其開發(fā)應(yīng)用[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2010(3):81-83.

［2］Mariano Pracella, Donatella Chionna, Irene Anguillesi，Zbigniew Kulinski, Ewa Piorkowska. Functionalization, compatibilization and properties of polypropylene composites with Hemp fibres[J]. Composites Science and Technology, 2006(66):2218-2230.

［3］Yong Lei, Qinglin Wu, Fei Yao, et al. Preparation and properties of recycled HDPE/natural fibre composites[J].Composites: Part A, 2007(38):1664-1674.

［4］孫占英,韓海山,戴干策.劍麻/聚丙烯復(fù)合材料的沖擊性能及其預(yù)測(cè)[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2009,26(6):8-17.

［5］J.R.Araujo, B.Mano, G..M.Teixeira, M.A.S.Spinacé, Marco-A, De Paoli. Biomicrofibrilar composites of high density polyethylene reinforced with curauá fibres: Mechanical, interfacial and morphological properties[J]. Composites Science and Technology, 2010(70):1637-1644.

［6］A. K. RANA,A. MANDAL,B. C. MITRA,R. JACOBSON,R. ROWELL,A. N. BANERJEE. Short Jute Fibre-Reinforced Polypropylene Composites: Effect of Compatibilizer[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1998(69):329-338.

［7］Smita Mohanty, Sanjay K. Nayak. Interfacial, dynamic, mechanical and thermal fibre reinforced behavior of MAPE treated sisal fibre reinforced HDPE COMPOSITES[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2006(102):3306–3315.

Preparation and Mechanical Properties of Ramie Fibre-reinforced Polyethylene Composites

TONG Wei1,XUE Ping1,JIA Ming-yin1,DING Yun1*,YAN Zi-li2,ZHANG Jian-chun2
（1. Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029，China；2. The Equipment Research Institute of the General Logistics Department of the CPLA, Beijing 100082, China）

The high density polyethylene（HDPE）/ramie fibre composite was prepared by twin-screw extruder and injection molding, and mechanical properties and microstructure of the composite were researched. Effect of compatiblilizer maleic anhydride grafted polypropylene （PP-g-MAH）dosage and ramie fibre content on mechanical properties of the composite was analyzed. The results show that PP-g-MAH can increase mechanical properties of the ramie/HDPE composite. When 5% PP-g-MAH is added into the composite, the tensile strength is increased by 12%; when 10%, the composite has the best impact strength and elongation at break and they are increased by 113% and 125%. On the other hand, the tensile strength of the composite can be improved by increasing the fibre content. The tensile strength can be increased by 28% when the content of fibre is 20%. SEM micrograph of the fractured surface of the composite has identified that as the compatiblilizer content increases, the interfacial adhesion of the HDPE and fibre is effectively enhanced.

Ramie fibre; HDPE; Reinforcement; Mechanical properties; Microstructure

TQ 325.1+2

A

1671-0460（2011）12-1217-04

北京化工大學(xué) 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 JD1106

2011-07-28

童偉（1985-），男，福建三明人，在讀碩士研究生，研究方向：麻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。E-mail：tongwei19851112@sina.com。

丁筠，講師，博士，研究方向：高性能聚合物復(fù)合材料。E-mail：echody@sohu.com，電話：010-64436016。