杜趙喆，金 敏，戴月萍，殷麗萍，沈鈺程，李延軍*

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江大莊實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311251）

聚丙烯 (C3H6)n是一種常見(jiàn)的熱塑性聚合物，具有較寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，包括包裝、紡織、塑料零件、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，特別是在汽車(chē)零部件的應(yīng)用[1～2]。

甘蔗渣是一種制糖廠中甘蔗莖經(jīng)過(guò)蔗糖提取后留下的纖維剩余材料，包含46.0%纖維素、24.5%半纖維素、19.95%木質(zhì)素、脂肪、3.5%蠟狀物、2.4%灰分、2.0%二氧化硅和其他元素[3]，與其他農(nóng)作物剩余物相比，甘蔗渣因具有高產(chǎn)量和每年可再生能力而被認(rèn)為是一種豐富的自然資源[4]，收割之后的這些農(nóng)作物剩余物大部分被焚燒處理，這不但導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)也浪費(fèi)了寶貴的資源，蔗渣纖維作為增強(qiáng)體為PP基復(fù)合材料的應(yīng)用提供了積極的環(huán)境效益，促進(jìn)了廢棄物的綜合利用。

本文的主要目標(biāo)是研究蔗渣纖維和偶聯(lián)劑對(duì)聚丙烯復(fù)合材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，探究蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用回收的聚丙烯塑料（PP）作為基體材料，熔融指數(shù)4.8 g/10 min，密度0.91 g/cm3，熔點(diǎn)溫度166℃，熱變形溫度50 ～ 63℃。

蔗渣纖維的化學(xué)組分見(jiàn)表1[5]。蔗渣纖維由美國(guó)路易斯安那州制糖廠提供。將蔗渣纖維在 95℃烘箱中烘 24 h，然后用Thomas-Wiley研磨機(jī)（3383L10，Swedesboro，紐約）研磨至20目。

表1 蔗渣纖維的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of bagasse fiber%

MAPP（Epolene G3003）添加量為蔗渣纖維重量的2%。

1.2 復(fù)合材料的制備

通過(guò)注射成型法生產(chǎn)蔗渣纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，用一臺(tái)相互嚙合、反向旋轉(zhuǎn)的Brabender雙螺桿擠出機(jī)（Brabender 儀器公司，美國(guó)紐約哈肯薩克市）將70%PP、30%蔗渣纖維和2%MAPP熱熔混合，螺桿轉(zhuǎn)速為48 n/min（其中PP/蔗渣復(fù)合材料為50 n/min）。模具的噴嘴和槍管的溫度分別為199℃和38℃。將所有混合的混料加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，以便力學(xué)測(cè)試。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 靜態(tài)力學(xué)性能 在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度和模量，抗彎強(qiáng)度和模量，抗沖擊強(qiáng)度?？估瓘?qiáng)度根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638-2010進(jìn)行測(cè)試；抗彎強(qiáng)度根據(jù)ASTM D790-2003進(jìn)行測(cè)試；沖擊強(qiáng)度根據(jù)ASTM D256進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析 使用一臺(tái)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA Q800, TA Instruments, and New Castle, DE, USA）測(cè)量復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。采用雙懸臂梁模式，頻率為1Hz，液氮氛圍，振幅為15μm，升溫速率為1℃/min。試件尺寸為35 mm×12.7 mm×3.2 mm（長(zhǎng)×寬×厚）。DMA實(shí)驗(yàn)掃描溫度范圍為室溫到160℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)力學(xué)特性

蔗渣纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能見(jiàn)表2。根據(jù)蔗渣纖維和偶聯(lián)劑的添加與否研究了蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的抗拉、抗彎強(qiáng)度及其模量和沖擊韌性。通常，與純PP相比，添加了蔗渣纖維的復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度稍微下降，抗彎強(qiáng)度有較小的增加，沖擊強(qiáng)度也少量上升。同時(shí)，抗拉彈性模量顯著增加（是PP的5.3倍），抗彎模量則顯著減?。ㄏ陆盗?8.6%）。

表2 蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)特性Table2 Static mechanical properties of bagasse fiber reinforced PP composites (PP as control)

MAPP是一種眾所周知的并被廣泛應(yīng)用的接枝聚合物，在復(fù)合材料中用作偶聯(lián)劑來(lái)提高纖維和PP之間的相容性[6]。結(jié)果表明，隨著2%MAPP的加入，蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度都明顯增強(qiáng)，其中抗彎強(qiáng)度增加了51.3%?？傊?，隨著MAPP偶聯(lián)劑的加入，蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

2.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析一直是一個(gè)了解聚合物復(fù)合材料界面特性的有用的工具[7]。DMA測(cè)試是指在周期性正弦形變力的作用下觀察樣品隨時(shí)間和溫度變化的形變特性[8]。并且可以分析較寬范圍的溫度，從而獲知熔融聚合物系統(tǒng)的粘彈性行為，特別是在蔗渣纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。隨溫度變化的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，例如，儲(chǔ)能模量E’、損耗模量E”和能量損耗因子tanδ，為深入了解聚合物基和纖維增強(qiáng)材料之間的交互作用提供了幫助。

儲(chǔ)能模量是指復(fù)合材料在彈性變形過(guò)程中儲(chǔ)存的能量，代表彈性部分。儲(chǔ)能模量越高，復(fù)合材料硬度越大。蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量見(jiàn)圖1。由圖1可知，蔗渣纖維/PP基復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨著測(cè)試溫度的升高而下降。表明溫度越高，復(fù)合材料的硬度下降，更容易變形。添加了蔗渣纖維之后的PP/蔗渣復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量明顯大于純PP塑料，該復(fù)合材料的最大儲(chǔ)能模量的值為3 124 MPa。在73 ～ 77℃時(shí)，儲(chǔ)能模量下降最快，之后逐漸變緩。這主要是由于73 ～ 77℃達(dá)到了PP基體的熱變形溫度，但還遠(yuǎn)不及蔗渣纖維的熱穩(wěn)定溫度。

圖1 蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量Figure1 Storage modulus of bagasse fiber/PP composites

圖2 蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的損耗模量Figure2 Loss Modulus of bagasse fiber/PP composites

損耗模量是指熱變形過(guò)程中損耗的能量，代表粘性部分。蔗渣纖維復(fù)合材料的損耗模量如圖2。從圖2可知，隨著溫度的上升，損耗模量的曲線先是緩慢增加，然后快速下降。PP/蔗渣復(fù)合材料的損耗模量明顯高于純 PP塑料，在 61.8℃出現(xiàn)了一個(gè)損耗模量的峰值。峰值溫度Tp（表3）就是復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。

Tanδ，也叫損耗因子，是指損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值（E’’/E’）。圖3是蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的損耗因子隨溫度變化的函數(shù)圖像。從圖2可知，隨著溫度的上升，復(fù)合材料的損耗因子總體呈增加趨勢(shì)。PP塑料的損耗因子高于 PP/蔗渣復(fù)合材料的損耗因子。在70～ 130℃時(shí)，損耗因子上升緩慢，130℃之后快速增加。

圖3 蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的損耗因子Figure3 Tan δ of bagasse fiber/PP composites

表3 蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的DMA性能參數(shù)Table3 DMA parameters of bagasse fiber/PP composites

3 結(jié)論

（1）與純PP相比，隨著蔗渣纖維的加入，復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度有所提高，抗拉強(qiáng)度除外。并且拉伸模量急劇增加（是純PP的5.3倍），但彎曲模量下降顯著，下降了38.6%。

（2）隨著2%MAPP的加入，蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的力學(xué)性能明顯增加。

（3）隨著測(cè)試溫度的增加，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量降低。在73 ～ 77℃時(shí)下降較快，之后逐漸變緩。

（4）添加蔗渣纖維之后的復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量增加，而損耗因子降低。蔗渣纖維/PP復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為61.8℃。

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