竹粉含量对竹塑复合材料性能的影响

 

摘要：采用不同比例的竹粉制备竹粉/高密度聚乙烯复合材料，研究其对于复合材料性能的影响。结果表明：复合 材料的断裂伸长率有先减小，后增大的变化趋势；拉伸强度则先增大后减小。竹粉质量含量为40 %，断裂伸长率达到 最小值，拉伸强度达到最大值。冲击和弯曲强度有所提高，竹粉含量增大，复合材料的熔体指数逐渐减低。

 

关键词：竹塑复合材料；竹粉含量；性能；高密度聚乙烯；熔体指数

 

竹塑复合材料是竹材纤维与塑料的有机结合，兼有塑料和 竹材的特点：防潮，防腐，耐虫蛀，不开裂，不翘曲，并且具有良好 的二次加工性。不但可以解决废旧竹材的利用问题，减少塑料 和木材的消耗量，而且以木纤维为主要原料的木塑复合材料已 经在汽车、建筑和包装等行业获得了广泛应用。

 

竹塑复合材料的成型过程中，竹粉的含量对于复合材料的 性能具有重要影响。竹粉含量较大时，复合材料的流动性能较 差，成型难度较大；但是随着塑料含量的下降，材料的成本也有 所下降。并且竹粉的含量不同时，所需要的偶联剂和润滑剂的 含量也不相同，所以竹粉的含量是一个主要因素。现在注射用 竹塑复合材料的竹粉质量含量在50 %以下，当含量过大时，造 成复合材料的充模困难，表面缺陷严重，影响材料的性能。

 

文章通过实验研究竹粉质量含量在30 %、40 %和50 %情 况下的复合材料性能，确定竹粉含量对于材料性能的影响.

 

1 试验部分 1-1 主要原料

 

聚乙烯：DMDA-8008，独山子石化；

 

竹粉：140目，市售；

 

钛酸酯：南京正银化学试剂有限公司；

 

马来酸酐接枝聚乙烯：GPM120，宁波能之光新材料有限 公司；

 

硬脂酸:分析纯，天津凯通化学试剂有限公司；

 

石蜡：临沂正元石蜡化工有限公司。

 

1.2 主要设备和仪器

 

邵式D硬度计:TH210，北京时代之峰科技有限公司；

 

全自动塑料注射成型机：TT1-130F2V,东华机械公司； 同向双螺杆挤出机:TE-20,科倍隆•科亚（南京）机械有限 公司；

 

电子悬臂梁冲击实验机：XJUD-5.5，承德市金建检测仪器 有限公司；

 

微机控制万能试验机:深圳市新三思材料检测有限公司； 熔体流动速率仪：XNR400C1，承德市金建检测仪器有限

 

公司；

 

干燥箱：202-2，上海实验仪器总厂。

 

2试样制备与性能测试

 

2. 1 试样制备

 

滑剂，制备竹粉、高密度聚乙烯配比为3: 7/4: 6/5: 5的复合材料 试样，测试其力学和流动性能。

 

2.2 性能测试

 

按照GB/T 1040. 2-2006，在万能试验机上，以10 mm/min 的速度对试样施加拉伸载荷，直到试样断裂。记录试样承受的 最大力，然后按照以下公式计算试样的拉伸强度。

式中，6—试样宽度，10 mm；c?—试样厚度,4 mm；P—拭样的最大 拉伸载荷，N。

 

在电子悬臂梁冲击实验机，按照国标GB/T 1843-2008，测试 试样在高速冲头作用下产生塑性变形或破坏吸收的能量，然后 按照以下公式计算试样的无缺口冲击强度。

 

OL = , £ , X 103 (2)

 

b x d

 

式中，£ 一试样产生变形或破坏吸收的能量，J。

 

在万能试验机上，控制压头以2.0 mm/min速度运动，使试 样发生弯曲。记录试样发生破坏的最大载荷值，然后按照以下 公式计算弯曲强度。

式中，P—载荷值，—试样的跨度，40 mm.

 

在熔体流动速率仪上，按照国标GB/T3682-2000，测定复合 材料在黏流状态时一定时间从口模中流出的质量，然后按照以 下公式计算每段试样熔体指数

 

MI(e,mnm) =tj£^ ⑷

 

式中4一试验温度，t —标称符合，kg;m—切段的平均质 量，g;t„y—参比时间（10 min) >S(600 s) 切断的时间间隔，s;

 

—熔体指数，g/10 min。

 

3试验结果与分析

 

3.1 竹粉含量对于复合材料拉伸强度和断裂伸长率 的影响

 

复合材料的断裂伸长率有先减小，后增大的变化趋势；拉伸 强度则相反，先增大后减小。竹粉质量含量为40 %，断裂伸长 率达到最小值2. 41 %，拉伸强度达到最大值11.70 MPa。在复 合材料中，刚性竹纤维起到阻碍聚合物分子链段运动的作用。 随着竹粉含量的增加，对聚合物分子链运动的阻碍作用越强，因 此材料的断裂伸长率减小，拉伸强大增大。伴随竹纤维含量的 增加，聚合物所占比例相对减小，承受力的部分减小，并且竹粉 的分散变得困难，团聚现象严重，产生应力集中，使材料的拉伸 强度减低，断裂伸长率增大，见图1。

 

3.2 竹粉含量对于复合材料冲击强度和弯曲强度的 影响

 

由图2可知，随着竹粉含量的增加，材料的冲击强度先稍微 有所增大之后逐渐减小。竹粉质量含量为35 %时，材料的冲击 强度最高，比含量50 %时高出11.4 %。分析其主要原因是竹 纤维在材料中，不能通过变形，吸收冲击能量，起到应力集中物 的作用。聚合物所占比例的相对减小，意味着材料基体中传递 能量的能力逐渐降低。以上两点使材料的冲击强度逐渐降低。

 

与冲击强度略微有所不同的是弯曲强度有先逐渐增大，后 减小的趋势。竹粉质量含量为40 %时，材料的弯曲强度最大， 达到47. 25 MPa,分别比30 %和50 %时，高出13. 4 %和

17.9 %。当竹粉含量较小时，作为连续相的聚合物分子与竹纤 维发生相互接触、交叉和缠绕，使材料的弯曲强度逐渐升高。随 着竹粉含量的增加，材料中的应力集中点变多，材料传递能力作 用的减弱，使弯曲强度迅速降低。

 

3.3 竹粉含量对于复合材料硬度的影响

 

由图3可知，随着竹粉含量的提高，材料的硬度逐渐增加， 竹粉质量含量为50 %时，硬度达到最大值64. 7，比含量30 % 时高出3.4 %。竹纤维不易变形，使材料的硬度逐渐提高。

 

3.4 竹粉含量对于复合材料熔体指数的影响

 

由图4可知，随着竹粉含量的增加，材料的熔体指数逐渐降 低。竹粉质量含量为30 %，材料的流动性能最好，熔体为

 

拉伸强度则先增大后减小。竹粉质量含量为40 %，断裂伸长率

 

达到最小值，拉伸强度达到最大值。

 

2)随着竹粉含量的提高，材料的冲击强度逐渐减低。弯曲

 

强度先增大，后减小。

 

3)材料硬度随着竹粉含量的提高，逐渐增大，熔体指数则相反。