麦秸_聚丙烯复合材料的动态力学和微观性能分析

2 结果与分析
2. 1 物理力学性能检测分析 按照刨花板国家标准 ( GB / T4897. 1 ～4897. 7 - 2003 )要
求 ,进行内结合强度 、静曲强度 、弹性模量 、2 h吸水厚度膨胀 率物理力学性能指标的检测 ,结果见表 1。由表 1可见 :试样 b、试样 c的指标值均高于国家标准要求 ,试样 a数值比较低 , 没有达到国标规定 。说明单纯使用马来酸酐改性剂 ,在现有
图 1 复合材料的存储模量
图 2 复合材料的损耗角正切 2. 2. 1 DMA 谱图分析
从图 1中可以看出 ,试样 c的存储模量最大 ,远远高于试 样 a和试样 b。说明在相同的温度 、压力及作用力频率条件 下 ,试样 c具有较高的抵抗外力和变形的能力 ,具有较好的力 学性能 。试样 a、b、c 的拐点温度依次升高 ,分别为 154. 3、 155. 3、158 ℃,这是材料内部结构变化的结果 ,即大分子发生 了交联或致密化 ,或者分子断链产生了新的化合物 ,使得体系 中各种分子运动活性受到抑制或加速 。如材料的交联或致密
(生物质材料科学与技术教育部重点实验室 (东北林业大学 ) ,哈尔滨 , 150040)
摘 要 以麦秸 、废旧聚丙烯为主要原料 ,采用动态力学热分析仪 (DMA )及扫描电子显微镜 ( SEM )等现代分 析测试手段 ,研究麦秸 /聚丙烯 ( PP)复合材料热力学性能及界面结合特性 。结果表明 :只使用马来酸酐的复合材 料性能较差 ,没有达到刨花板国家标准指标 ;只使用异氰酸酯或同时使用马来酸酐和异氰酸酯的复合材料力学性 能指标均达到了刨花板国家标准指标 。通过对力学内耗与界面粘接参数的分析 ,预测了使用不同偶联剂的麦秸 / 聚丙烯复合材料的力学性能 ,结果与实际测试结果基本吻合 。用扫描电镜观察的麦秸 / PP复合材料微观结构 ,与 DMA 分析的结论相同 。
麦秸是一种极性较大的亲水性物质 ,而聚丙烯是一种极 性较小的憎水性物质 ,二者相容性较差 ,通常情况下麦秸和聚 丙烯不能很好地结合 ,需要引入极性基团 ,改善二者之间的相 容性 。马来酸酐含有羧基和不饱和键 ,羧基能与麦秸上的羟 基发生酯化反应或者与麦秸纤维形成氢键 ,不饱和键能与聚 丙烯反应 。因此 ,通过使用马来酸酐使二者结合起来 [4 - 5 ] 。
can not reach the national standard for particleboard when only use M aleic anhydride, while the p roperties of the composite
can attain the national standard for particleboard when only use isocyanate resin or use both isocyanate resin and M aleic an2
板制造工艺 ,对麦秸 /废旧聚丙烯进行热压复合 ,研究相同工 艺条件下 ,偶联剂对麦秸 /聚丙烯复合材料力学性能和界面微 观构造的影响 。
1 材料与方法
塑料 :废旧聚丙烯 ( PP) ,采用高速涡流多用磨粉机将 PP 磨成粉状 ,经过振动筛筛选 ,选取目数大于 16目的使用 ;
麦秸 :麦地里收来的麦秸 ,在实验室存放一个月 ,调整含 水率到 10% ,被加工成 2～4 cm长 ,备用 ;
异氰酸脂可以和水 、纤维素 、木质素等发生反应 ,麦秸正 是含有大量羟基基团 ,由纤维素 、半纤维素和木质素组成的天 然高分子材料 。异氰酸酯可以和麦秸中的羟基反应 ,产生牢 固的聚氨酯键 。这种化学键可以把邻近的颗粒或纤维状原料 粘结在一起 , 形成网状交联 [6 ] 。同时 ,异氰酸酯还可以与聚 丙烯发生化学反应 ,产生交联 。
hydride. The mechanical p roperties were p redicted by analysing the mechanical dissipation and the factors of interface
bonding, which are almost the same w ith the actual mechanical p roperties. The m icrostructure of the wheat straw PP com2
如图 2所示 ,试样 a因为没有加入异氰酸酯胶黏剂 ,所以 没有形成网状交联 ,力学性能较差 。随着温度的升高 ,塑料逐 渐软化 ,模量逐渐降低 ,当温度达到 154. 3 ℃时 ,木质素发生 玻璃化转变 ,在宏观上表现为复合材料模量迅速下降 ,直降到 零 ( tanθ趋于无穷大 ) 。
温度之间的关系 ,主要研究聚合物分子链结构 、性能 。由于高 分子材料的玻璃化转变 、结晶 、取向 、交联 、相分离等结构变化
都与分子运动状态的变化密切相关 ,而分子运动的变化又能 在动态力学性能上灵敏的反映 。因此 , DMA 是研究高分子结 构变化 、分子运动性能的一种有效方法 [7 ]134。
使大分子链柔性或某些运动单元活性降低 ,使玻璃化转化转 变移向高温 ;断链使单元活性增加 ,使玻璃化转化转变移向低 温 [7 ]156 - 160。由此推断 ,试样 a中加入马来酸酐和 PP发生了 化学反应 ,使得单元活性增加 ,所以拐点温度较低 。而相对来 说试样 c中同时加入了马来酸酐偶联剂和异氰酸酯胶黏剂 , 在此复合体系中 ,异氰酸酯与水 、羟基等反应 ,发生交联 ,分子 链增长 [6 ] ,所以拐点温度较高 。
实验设备 :德国 NETZSH 公司生产的 DMA242 型热机械 分析仪 。
实验方式 :采用三点加载弯曲方法进行实验 。 实验条件 :振幅 60μm ,动态力 1 N ,测试升温速度 5 ℃ / m in,选择频率为 1 Hz (温度范围 : 30～200 ℃) 。 试样尺寸 : 50 mm ×10 mm ×3 mm。
由图 2中的内耗峰可以发现 ,在升温过程中 3个试件的 tanθ都发生两次转变 ,出现了两个峰 ,其中 ,试件 a、b、c第一 次转变分别出现在 79. 7、92. 4、67. 5 ℃;试件 b、c的第二次转 变分别出现在 168. 4、165. 3 ℃,试件 a的第二次转变不明显 (因为一般情况下木质素的软化点在全干状态是 127 ～193 ℃;湿润状态下 77～128 ℃,基本随含水率增加而降低 ) 。初步 推断 ,试件的第一次转变为 PP的玻璃化转变 ,因为使用的塑料 为回收的废旧聚丙烯 ,其中含有各种助剂 ,成分复杂 ,理论上为 许多个峰叠加在一起 ,所以峰较宽 。第二次转变为麦秸中木质 素的玻璃化转变 ,因为物质较纯 ,所以峰相对的较窄 。
hydride; Isocyanate resin
我国是个少林国家 ,森林覆盖率仅为 18. 21% ,大大低于 世界平均水平 ,木材资源短缺问题日益严重 [1 ] 。我国又是个农 业大国 ,每年产生大量的麦秸等农业剩余物 ,大部分因无法合 理利用而在田间焚烧 ,即浪费了资源 ,又污染了环境 ,还给交通 带来不便 。麦秸中纤维素含量与木材相近 ,所以用麦秸制造人 造板是个不错的选择 [2 ] 。随着塑料工业的发展 ,大量的塑料废 弃物成为垃圾 ,白色污染问题越来越严峻 [3 ] 。以麦秸和回收的 废旧塑料 (以聚丙烯为例 )为原料生产新型的麦秸 /塑料复合 材料 ,将解决人 、资源和环境之间的矛盾 ,不但找到了一种有效 利用麦秸的方法 ,而且在一定程度上缓解了白色污染 。
第 34卷 第 4期 2006年 7月
东 北 林 业 大 学 学 报 JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UN IVERSITY
Vol. 34 No. 4 Jul. 2006
麦秸 /聚丙烯复合材料的动态力学和微观性能分析 1)
许 民 李 帅 王克奇 姜晓冰
An experiment was conducted to study the thermodynam ic performances and interfacial bonding p roperties of wheat
straw polyp ropylene ( PP) composite w ith dynam ic mechanical analysis (DMA ) instrument and scanning electron m icro2 scope ( SEM ) using wheat straw and recycled PP as main raw materials. Result showed that the p roperties of the composite
本文分别使用马来酸酐与异氰酸酯做偶联剂 ,采用人造
1) 黑龙江省科技攻关项目 ( GC03A602) ,哈尔滨市学科后备带头 人基金 ( 2003AFXXJ017) 。
第一作者简介 :许民 ,女 , 1963年 5月生 ,生物质材料科学与技术 教育部重点实验室 (东北林业大学 ) ,副教授 。
收稿日期 : 2006年 1月 9日 。 责任编辑 :张 玉 。
posite analysed by SEM is the same w ith that by DMA instrument. Key words W heat straw /polyp ropylene; Composites; Dynam ic mechanical p roperties; M icro2p roperties; M aleic an2
关键词 麦秸 /聚丙烯 ;复合材料 ;动态力学性能 ;微观性能 ;马来酸酐 ;异氰酸酯 分类号 TS653
Ana lysis of Dynam ic M echan ics and M icro2properties of W hea t Straw Polypropylene Com posite /Xu M in, L i Shuai, W ang Keqi, J iang Xiaobing ( Key Laboratory of B io2based Material Science and Technology, M inistry of Education, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China) / /Journal of Northeast Forestry University. - 2006, 34 (4). - 61～63