聚丙烯復(fù)合材料性能測(cè)試和分析

目錄

聚丙烯復(fù)合材料性能測(cè)試和分析.......................1

摘要............................................-...............................1

(1)聚丙烯的光引發(fā)接枝反應(yīng)..................................................1

(2)麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備.............................................2

(3)麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的性能分析..........................................2

第一章文獻(xiàn)綜述...................................2

1」弓I言.......................................................................2

1.2課題的來(lái)源與選題衣?lián)?.....................................................2

124(1)紫外光簡(jiǎn)介及應(yīng)用.......................................................6

1.3實(shí)驗(yàn)的影響因素............................................................6

1.4課題的理論依據(jù)............................................................6

1.5課題的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀........................................................7

1.6課題的意義和目的..........................................................8

第二章實(shí)驗(yàn)部分....................................8

2.1實(shí)驗(yàn)原材料................................................................8

2.2實(shí)驗(yàn)儀器..................................................................8

2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容..................................................................9

第三章結(jié)果與討論..................................11

3.1接枝前后的紅外光譜對(duì)比分析...............................................11

3.2界面劑含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.......................................12

3.3界面劑對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶行為的影響...........................................14

3.4界面劑對(duì)復(fù)合材料維卡軟化溫度的影響.......................................16

3.5界面劑對(duì)復(fù)合材料吸水性能的影響...........................................16

結(jié)論與展望.........................................17

摘要

聚丙烯是一種應(yīng)用廣泛的大品種通用塑料,傳統(tǒng)聚丙烯復(fù)合材料通常以無(wú)機(jī)

粉體、碳纖維和玻璃纖維等為增強(qiáng)體，而天然植物纖維贈(zèng)強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料乂植

物纖維為增強(qiáng)體，這為聚丙烯復(fù)合材料的應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。天然植物纖維具

有來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、可再生、可降解等優(yōu)點(diǎn)⑷，但存在性能不均一、易吸

濕以及與基體樹(shù)脂相容性差等缺點(diǎn)，在聚丙烯復(fù)合材料中的應(yīng)用受到制約。

本又采用紫外光輻照的方法，制備此次用以作為界面劑的聚丙烯產(chǎn)物，與以

麻纖維為增強(qiáng)相，聚丙烯(PP)塑料為熱塑性聚合物基體，制備麻纖維/聚丙烯復(fù)合

材料。主要內(nèi)容包括：光引發(fā)接枝反應(yīng)、麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備，復(fù)合

材料的性能測(cè)試和分析。

(1)聚丙烯的光引發(fā)接枝反應(yīng)

將一定劑量的光引發(fā)劑占噸酮溶于少量乙醇，再將一定量的KH570、PP倒

入燒杯，用玻璃棒攪拌均勻。然后再將其全部置入大反應(yīng)器中，使用真空泵對(duì)其

進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)觀(guān)察到乙醇有輕微地沸騰現(xiàn)象時(shí)即可。完全密封之后，：將大

反應(yīng)器置入恒溫水浴鍋，并將溫度設(shè)定為60C。最后將大反應(yīng)器及水浴鍋一并

置入紫外線(xiàn)固化箱中，并以400W的功率和進(jìn)行2h的照射。

(2)麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備

分別稱(chēng)取定量的麻纖維、粒狀PP界面劑、粉狀PP界面劑和粒狀PP基體(保

證每份樣品的質(zhì)量總和為30g),并將其均勻混合，平均分次置入轉(zhuǎn)矩流變儀，

進(jìn)行麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備。

(3)麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的性能分析

將加入了不同比例界面劑進(jìn)行混煉的麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料進(jìn)行拉伸測(cè)試、

差示掃描量熱分析、維卡軟化溫度測(cè)定、吸水性能測(cè)定，記錄結(jié)果并進(jìn)行對(duì)土分

析，得出結(jié)論。

由以上性能測(cè)試實(shí)3僉結(jié)果可以得出，光引發(fā)接枝得到的聚丙烯界面劑能提高

麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能，增加了基體結(jié)晶溫度時(shí)的粘度，從而卷高

了復(fù)合材料的相對(duì)結(jié)晶度，降低了材料的軟化性能，降低了材料的吸水性。

關(guān)鍵詞：聚丙烯，天然植物纖維，復(fù)合材料

第一章文獻(xiàn)綜述

口引言

由于石化資源的日趨短缺，人們?cè)诓粩鄬ふ倚履茉础⑿虏牧弦蕴娲禾亢褪?/p>

油化工產(chǎn)品，以緩解或解決能源與資源危機(jī)。玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料在給人

類(lèi)生活帶來(lái)方便的同時(shí)，又給人類(lèi)帶來(lái)了資源短缺、回收利用及環(huán)境影響等新的

問(wèn)題。利用生物質(zhì)可再生資源開(kāi)發(fā)環(huán)境友好綠色復(fù)合材料成為當(dāng)前世界各國(guó)關(guān)注

和研究的熱點(diǎn)之一r-力NVF增強(qiáng)PP復(fù)合材料是利用天然可再生植物纖維

與PP基體復(fù)合而成的一種新型復(fù)合材料。NVF是自然界最豐富的天然高分子

材料，自然界中每年生長(zhǎng)的纖維素(以NVF的形式存在)總量多達(dá)千億噸，遠(yuǎn)

遠(yuǎn)超過(guò)了地球上現(xiàn)有的石油總儲(chǔ)量，在自然資源日見(jiàn)缺乏的今天，充分利用天然

植物纖維的潛力，發(fā)揮其獨(dú)特的功能和特性，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域，是引人注己的

(45,

熱點(diǎn)-O

以NVF增強(qiáng)PP樹(shù)脂復(fù)合材料替代木材或坡璃纖維材料是日前天然植物

纖維綜合利用的主要途徑之一。隨著全降解基體高分子材料的不斷研究開(kāi)發(fā)，用

NVF與全降解基體復(fù)合制成生物降解復(fù)合材料，如以纖維素、淀粉衍生物等天

然多聚穗為原料制備可生物降解樹(shù)脂，再與NVF復(fù)合制備性能優(yōu)良的全降解復(fù)

合材料，可應(yīng)用于各種環(huán)保材料。本文系統(tǒng)地評(píng)述了NVF組成及其改性方法，

并綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于天然植物纖維增強(qiáng)PP的性能，指出S該類(lèi)復(fù)合材料存在問(wèn)

題及發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2課題的來(lái)源與選題依據(jù)

聚丙烯(PolyPropylene,PP),是由丙烯聚合而制得的一種半結(jié)晶性熱塑性

樹(shù)脂。其作為一種高分子材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，較高的耐沖擊性，機(jī)械性

質(zhì)強(qiáng)韌，抗多種有機(jī)溶劑和酸堿腐蝕，良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽

車(chē)工業(yè)、器械制造、日常用品等。但因其易被紫外線(xiàn)分解，易被氧化，不易接合

等缺點(diǎn)限制了普通聚丙烯在各個(gè)領(lǐng)域中進(jìn)一步的應(yīng)用。故對(duì)聚丙烯的改性，妍究

聚丙烯復(fù)合材料十分必要。

植物主要是由纖維細(xì)胞和其它部分雜細(xì)胞利用胞間層的物質(zhì)相互連接組成

的，植物纖維是指使用不同的物理、化學(xué)、生物方法去除雜細(xì)胞后剩余的纖維細(xì)

胞。作為植物光合作用的產(chǎn)物，植物纖維是廣泛存在于木本和草本植物中的一種

厚壁組織，其細(xì)胞細(xì)長(zhǎng)，兩端尖銳，具有中空結(jié)構(gòu)和較厚的次生壁，壁上常有單

紋孔，成熟時(shí)一般沒(méi)有活的原生質(zhì)體，在植物體中主要起機(jī)械支撐作用，同時(shí)兼

具吸收和轉(zhuǎn)移水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，抵御外部非生物脅迫和生物攻擊的作用。

1.2.1聚丙烯復(fù)合材料的種類(lèi)

121.(1)玻璃纖維增強(qiáng)

坡璃纖維增強(qiáng)是指以聚丙烯為主體，玻璃纖線(xiàn)作為增強(qiáng)相，通過(guò)某種方式使

它們相互混合制成的復(fù)合材料，以達(dá)到強(qiáng)化聚丙烯某些物理性能。

通過(guò)對(duì)加入增容劑馬來(lái)酸肝接枝聚丙烯(PPg-MAH)或聚丙烯接枝馬來(lái)酸

酢與乙烯/辛烯共聚物(PP-g-POE-MAH)的含量，擠出工藝，玻纖長(zhǎng)度等因素

的研究討論⑻汽結(jié)果表明，PP-gMAH或PP-g-POE-MAH的加入都能使玻纖維增

強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的機(jī)械性能得到顯著提高；提高擠出溫度可使其拉伸強(qiáng)度和懸

臂梁缺口弁出強(qiáng)度均提高L5倍左右；連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能

遠(yuǎn)大于短玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料。

1.2.1.(2)天然纖維增強(qiáng)

在石化資源匱乏的如今，對(duì)天然資源的研究利用開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型產(chǎn)品已成為

當(dāng)前世界關(guān)注的熱點(diǎn)之一，而現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用的聚丙烯在它眾多優(yōu)點(diǎn)的背后還有

著難降解，易被氧化，不易接合等缺點(diǎn)。故通過(guò)物理或化學(xué)方法將NVF進(jìn)行改

性再與PP復(fù)合制得天然植物纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料，其性能將優(yōu)于單純的聚

丙烯材料1⑼、沈鈕程等皿以四種不同的天然纖維(蔗渣、松木、稻草、稻殼)

作為增強(qiáng)劑，用聚丙烯作為熱塑性聚合物基體，添加馬來(lái)酸酎接枝聚丙烯(MAPP)

作為偶聯(lián)劑，SEBS作為增韌劑，對(duì)復(fù)合材料性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，天然纖

維贈(zèng)強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度除抗拉強(qiáng)度外均有所提高，隨溫度提高，

復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量降低，吸水性提高，添加MAPP和SEBS后吸水性有所下降

但耐水性有所上升等。

121.(3)無(wú)機(jī)填料填充

聚丙烯材料的耐熱性較差，在稍高一點(diǎn)的溫度就會(huì)影響其正常的工作。采用

無(wú)機(jī)材料如陶土、炭黑、碳酸鈣、石膏、云母粉、赤泥、硅灰石、硫酸鋼等物質(zhì)

進(jìn)行填充制成的復(fù)合材料可提高其(W熱性，同時(shí)會(huì)對(duì)其力學(xué)性能有一定提高，大

大提高了聚丙烯的應(yīng)用范圍“2】。

聚丙烯/蒙脫土納米復(fù)合材料是將PP-gMAH、PP和蒙脫土進(jìn)行共混后熔融

擠出制得，產(chǎn)品經(jīng)檢測(cè)表明其力學(xué)性能較純PP有所提高。與此同時(shí)以硼硅酸鹽

質(zhì)中空微球體進(jìn)行填充可制得具有隔熱等功能以及強(qiáng)度高、加工性能好的輕質(zhì)復(fù)

合材料叫

122聚丙烯復(fù)合材料的前景

普通聚丙烯材料因其自身的缺點(diǎn)無(wú)法滿(mǎn)足如今眾多產(chǎn)品對(duì)于材料的要求，這

就使聚丙烯復(fù)合材料的研究有著十分廣闊的前景。有人就以六鈦酸鉀晶須作為填

料制作復(fù)合包裝材料[14],還有人以聚丙熔為主體制成塑鋼纖維[15],該材料具

備鋼筋、鋼纖維的外型、功能，同時(shí)又有合成軟纖維的優(yōu)點(diǎn)?？捎脕?lái)替代傳統(tǒng)鋼

筋網(wǎng)、鋼纖維，而建設(shè)成本更加經(jīng)濟(jì)。隨著人們對(duì)PP的深入研究，更多的性能

更優(yōu)異的復(fù)合材料將會(huì)被制作出來(lái)，給人們帶來(lái)的好處也會(huì)越來(lái)越多。

123植物纖維概論

123（1）植物纖維

植物纖維主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，三者含量為50%?95%,

因材種而異，還含有少量其他組分，如表2所示。在纖維的所有組分中，木質(zhì)

素是高度支化的聚合物，木質(zhì)素與半纖維素一起體為固定纖維素的基質(zhì)。纖維素

的基本結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)桿狀，沿纖維長(zhǎng)度方向排列。半纖維素具有較低的分子量，表

現(xiàn)為塑化基質(zhì)。纖維素強(qiáng)度大、結(jié)晶性好、穩(wěn)定性好，而半纖維素為非晶態(tài)，結(jié)

構(gòu)隨機(jī)，應(yīng)力小，易水解。木質(zhì)素和纖維素、半纖維素通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合成的結(jié)構(gòu)

稱(chēng)為木質(zhì)素-碳水化合物復(fù)合體（LCC）,影響著植物纖維的性能、結(jié)構(gòu)和形態(tài)。

植物纖維細(xì)胞之間的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為胞間層，主要由木質(zhì)素、半纖維素和少量的果膠質(zhì)

構(gòu)成，在木材木質(zhì)部筆木質(zhì)化嚴(yán)重的部位，胞間層木質(zhì)素含量特別高。如圖皿

所示，纖維初生壁的厚度般在0.1〃m左右，主要成分為木質(zhì)素、半纖維素和

果膠質(zhì)。次生細(xì)胞壁是纖維細(xì)胞的主體，通常分為三層（SI、S2和S3）,如便1,

厚度為5?10〃m左右，以S2層為主體，約占細(xì)胞壁的80%,與初生細(xì)胞壁一樣，

次生細(xì)胞壁也由纖維素和各種半纖維素組成，但由于疏水多酚木質(zhì)素的存在，次

生細(xì)胞壁的含水量較低。次生細(xì)胞壁具有高軸向剛度、抗倒塌和抗爆裂能力，對(duì)

纖維的形狀和性能有著重要的影響。在次生細(xì)胞壁中，16個(gè)纖維素大分子通過(guò)

氫鍵連接成微纖絲,然后微纖絲依靠木質(zhì)素和半纖維素通過(guò)化學(xué)鍵結(jié)合形成一定

的長(zhǎng)度和厚度，微纖絲的角度隨品種、成熟度、細(xì)胞壁位置和生長(zhǎng)速度的不同而

變化。與初生細(xì)胞壁相鄰的是一層稱(chēng)為S1層，它具有大角度的橫向微纖絲，SI

層作為加強(qiáng)層，防止細(xì)胞過(guò)度的徑向膨脹和旋轉(zhuǎn)。中間S2層的微纖絲角（微纖

絲與纖維軸的夾角）最小，纖維素含量最高，對(duì)纖維剛度有決定性作用，由于

S2層的微纖絲角排列整齊，纖維在應(yīng)力作用下會(huì)輕微旋轉(zhuǎn)，而木質(zhì)素的橡膠性

質(zhì)可以使這種應(yīng)力能量耗散。內(nèi)部S3層也有橫向定向的微纖絲，在靜電力的作

用下可以避免側(cè)向坍塌“6,⑺?；?/p>

表1植物纖維的組成成分

名稱(chēng)成分

由D-叱喃式葡匐糖狀經(jīng)I,4平件鍵連接而成的線(xiàn)性高分子化合物，

纖維索其基本結(jié)構(gòu)單元為纖維二糖，聚合度通常高于1000,不溶于水、稀酸、

稀堿。

由多種糖基、糖醛酸基組成，并且分子中往往帶有支鏈的復(fù)合聚犍的

半纖維素總稱(chēng)，作為填充在纖維之間和微細(xì)纖維之間的“粘合劑”和“填充劑”,

是無(wú)定形物質(zhì)。

由一系列的苯丙烷單元逋過(guò)魅鍵、碳破健連接而成的具有三維網(wǎng)狀立

木素體結(jié)構(gòu)的芳香族高分子化合物，是填充在胞間層及微細(xì)纖維之間的

“拓合劑”和“填充劑”.

主要包括無(wú)機(jī)鹽、植物堿、單寧、色素、淀粉、果膠質(zhì)、出醇、蠟質(zhì)、

抽出物脂肪、脂肪酸、樹(shù)脂酸、芾烯類(lèi)化合物等。

灰分由多種呈氧化態(tài)的礦物質(zhì)元索組成.

圖1植物纖維的結(jié)構(gòu)8

123⑵植物纖維的研究現(xiàn)狀

植物纖維作為自然界儲(chǔ)量最多的可持續(xù)發(fā)展資源，具有生物相容性好、可降

解、可再生等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的陶瓷、金屬材料相比，植物纖維長(zhǎng)徑比大、重量輕、

強(qiáng)度大、無(wú)磨蝕性、高電阻、可回收、可加工、隔音性能良好、成本低，在功能

材料、室內(nèi)裝潢、建筑材料、化工、食品、服裝、醫(yī)藥、組織工程、造紙、燃料

乙醇、廢水處理等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值口7,18]

124紫外交聯(lián)技術(shù)概述

124(1)紫外光簡(jiǎn)介及應(yīng)用

紫外光是電磁波的一種，其波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短，比X射線(xiàn)長(zhǎng)，波長(zhǎng)范圍在

l()0~400nm之間。由于其能量強(qiáng)于可見(jiàn)光，且具有一定的能量輻照效應(yīng)，同時(shí)

又不屬于高能射線(xiàn)(如X射線(xiàn)和〉射線(xiàn))，處理制品后不會(huì)使產(chǎn)品帶上放射性,

具備無(wú)污染、易控制、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)。因此，從紫外光被發(fā)現(xiàn)以后得到了很好

很快的發(fā)展，在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了有效的利用［38］。特別是在一些發(fā)達(dá)國(guó)家,

輻照加工已形成了工業(yè)化的規(guī)模，輻照加工也有數(shù)十個(gè)項(xiàng)目，其中，輻照交聯(lián)電

線(xiàn)電纜等絕緣材料是應(yīng)用比重最大的，已經(jīng)歷經(jīng)了4()多年的歷史。經(jīng)輻射交聯(lián)

的聚氯乙烯料在短期內(nèi)可以承受250七的高溫。到20世紀(jì)90年代，世界各地

生產(chǎn)的輻射交聯(lián)電線(xiàn)電纜的種類(lèi)和規(guī)格累計(jì)已經(jīng)達(dá)到1900多種［39］。

124(2)紫外輻照聚合物的研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)聚合物進(jìn)行紫外輻照改性主要在交聯(lián)反應(yīng)、表面接枝、光降解等方

面應(yīng)用較多，其中對(duì)置相引發(fā)輻照改性被廣泛采用。這種方法在室溫下進(jìn)行，目

具有無(wú)溶劑污染，反應(yīng)快等特點(diǎn)［40］。紫外交聯(lián)概念首次被提出是1956年G.

Oster［4L42］發(fā)現(xiàn)了體系中如果有光引發(fā)劑存在的話(huà),利用近紫外光就能夠誘導(dǎo)聚

乙熔產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)。光引發(fā)劑的加入能提高了處理試樣的厚度，將材料的厚度從

0.3mm提高到3mm以上，其原因是二苯甲酮在受紫外光照射下，能奪取聚合物

碳鏈上的氫原了，快速生成大量自由基，將紫外光的作用得到了有效發(fā)揮，且由

于交聯(lián)劑的橋架作用下，材料內(nèi)部體系的交聯(lián)速率大大提高。于志強(qiáng)等［46］對(duì)聚

丙烯粉末紫外光接枝馬來(lái)酸肝來(lái)提高PP與增強(qiáng)纖維的界面強(qiáng)度，研究了馬來(lái)酸

好含量、反應(yīng)溫度、光照時(shí)間、攪拌速率對(duì)接枝丞的影響，結(jié)果表明，接枝馬來(lái)

酸酢時(shí)，其含量為2.5%、反應(yīng)溫度為30C、光照時(shí)間為3min時(shí)的接枝率最高，

而攪拌速率對(duì)接枝率的分散性影響較大。黃益威等［49］對(duì)紫外光輻照反應(yīng)擠出制

備高熔體強(qiáng)度聚丙烯正行了研究，通過(guò)加入光分解促進(jìn)劑二苯甲酮(BP)和交

聯(lián)劑季戊四醇三丙烯酸酯(PETA),在計(jì)量段給另一定量的紫外輻照，制備出具

有支化交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚丙烯，有效提高了聚丙烯的熔體強(qiáng)度。

L3實(shí)驗(yàn)的影響因素

PP/NVF復(fù)合材料的性能主要影響因素有：NVF的種類(lèi)、加入量、粒

度，NVF的表面改性等；目前PP/NVF復(fù)合材料的性能研究主要圍繞在拉

伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、耐候性及阻燃性能等方面，PP/NVF復(fù)合材

料沖擊性能差，提高)卬擊性能為研究重點(diǎn)之一。NVF作為填充料，對(duì)工業(yè)化生

產(chǎn)顯然是填充得越多越好。但是由于樹(shù)脂與植物纖維之間的相容性問(wèn)題，植物纖

維材料的填充量必然存在一個(gè)最優(yōu)值,植物纖維材料的尺寸對(duì)復(fù)合材料的性能也

有很大影響。

1.4課題的理論依掂

由于聚丙烯主鏈上含有叔碳原子,在紫外光的照射下很容易失去氫而形成叔

碳自由基，叔碳自由基不穩(wěn)定，容易發(fā)生6斷裂，形成兩部分：一條鏈上為雙鍵，

另一條上則含有自由基端基［50］。如圖所示。

cHc3

^C^

cc

HH

C

I

C

H

紫外輻照引發(fā)聚丙烯自由及聚丙烯P-斷鏈反應(yīng)

由于在聚丙烯交聯(lián)過(guò)程中需要大量的自由基，僅靠以上反應(yīng)產(chǎn)生的自由基不

能進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，而占噸酮作為紫外光吸收劑，適量的摻入聚丙烯中，在紫外光

照射下，能夠吸收紫外光引發(fā)產(chǎn)生聚丙烯自由基。如圖所示。

在紫外光與占噸酮的作用下，會(huì)引發(fā)聚丙烯主鏈上產(chǎn)生大量的叔碳自由基。

自由基之間能夠發(fā)生結(jié)合，生成支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)，但此過(guò)程可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的自

由基，導(dǎo)致斷鏈反應(yīng)的速率快于自由基結(jié)合交聯(lián)的速率，所以聚丙烯分子主璉不

斷降解，分子量迅速下降，反應(yīng)會(huì)往相反的方向進(jìn)行。此時(shí)為了加快聚丙烯三由

基的交聯(lián)反應(yīng)速率，減少B?斷鏈反應(yīng)，需要加入多官能團(tuán)單體來(lái)消耗自由基，

如KH570,這是有效的偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑的加入，會(huì)捕捉到自由基的活性中心，

起到架橋的作用將不同的聚丙烯鏈段交織到一起,從而發(fā)生一系列快速聚合反應(yīng),

生成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚丙烯［52］。經(jīng)過(guò)交聯(lián)的聚丙熔材料具有優(yōu)良耐高

溫性、抗溶劑性，優(yōu)異的電汽性能和明顯增強(qiáng)的力學(xué)性能等。如圖所示。

1.5課題的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，已有不少學(xué)者研究了很多種用于聚合物復(fù)合材料的天然纖維，例如：

甘蔗渣、竹纖維、棉桿、大麻、黃麻、洋麻、亞麻、劍麻、稻殼、稻草、松木蠟、

楓木、草、紙莎草、榔殼纖維、小麥、大麥、燕麥、木棉、桑樹(shù)、香蕉纖維、酒

椰、菠蘿葉纖維等。天然纖維與合成纖維相比有許多優(yōu)勢(shì)，包括密度小、成本低、

每年可再生、生物可降解性、原料數(shù)量龐大、比強(qiáng)度和模量較高、能源消耗減少、

環(huán)境友好。

沈銀程㈤以四種天然植物纖維（蔗渣、松木、稻草、稻殼）作為增強(qiáng)劑，

以回收的聚丙烯（PP）塑料作為熱塑性聚合物基體，添加馬來(lái)酸酢接枝聚丙烯

（MAPP）作為偶聯(lián)劑，SEBS（聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯）作為碧韌

劑，通過(guò)注射成型工藝制成天然纖維復(fù)合材料，研究纖維種類(lèi)及偶聯(lián)劑對(duì)天然纖

維復(fù)合材料性能的影響。

沈曉梅如研究了玄武巖纖維芒麻纖維復(fù)合板材的生產(chǎn)工藝、工藝參數(shù)，優(yōu)

化了復(fù)合板材性能。

李正紅陽(yáng)研究了竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、加工

性能，采用電鏡掃描分析了復(fù)合材料的界面及其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。用多元統(tǒng)計(jì)分析中的

主成分分析法，合理地確定竹纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料多項(xiàng)性能指標(biāo)兼優(yōu)的最佳

纖維含量。

1.6課題的意義和目的

植物纖維復(fù)合材料具有植物纖維和高分子材科兩者的諸多優(yōu)點(diǎn)，能替代木材,

可有效地緩解我國(guó)森林資源貧乏、木材供應(yīng)緊缺的矛盾。其應(yīng)用范圍非常廣泛，

主要應(yīng)用在建材、汽車(chē)工業(yè)、貨物的包裝運(yùn)輸、倉(cāng)貯業(yè)、裝飾材料及日常生活用

具等方面。由于植物纖維的可再生性、可被環(huán)境消納性，所以植物纖維復(fù)合材料

是一種極具發(fā)展前途的綠色環(huán)保材料,其生產(chǎn)技術(shù)也被認(rèn)為是一班有生命力的創(chuàng)

新技術(shù)。研究和開(kāi)發(fā)植物纖維復(fù)合材料的意義主要是這類(lèi)材料具有人類(lèi)親和性、

環(huán)保友好性和可持續(xù)發(fā)展性。開(kāi)發(fā)植物植物纖維復(fù)合材均，可以拓寬植物纖維的

應(yīng)用范圍發(fā)展以植物纖維為基礎(chǔ)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，提高農(nóng)副產(chǎn)品的附加價(jià)值，對(duì)

促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著十分積極的意義?？傊?，研制植物纖維復(fù)合材料，既能

利用豐富的天然資源，開(kāi)辟結(jié)構(gòu)材料的新品種，又有利于環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡和

節(jié)約能源，具有較重要的社會(huì)意義和科學(xué)價(jià)值。同時(shí)以植物纖維為研究對(duì)象開(kāi)展

的木塑復(fù)合材料的研究為我國(guó)新型材料的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和新的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

第二章實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)原材料

藥品名稱(chēng)生產(chǎn)廠(chǎng)家

占噸的市售

甲醇（分析純）天津市富宇精細(xì)化工有限公司

KH570（分析純）南京能的德新材料技術(shù)有限公司

聚丙烯茂名市實(shí)華東成化工有限公司

實(shí)驗(yàn)藥品表

2.2實(shí)險(xiǎn)儀器

儀器名稱(chēng)儀器型號(hào)生產(chǎn)廠(chǎng)家

紫外高壓汞燈PLS-LAM500北京暢拓科技有限公司

冷阱QW220/石英材質(zhì)北京暢拓科技有限公司

真空循環(huán)水泵SHZ-D(HI)鞏義市予華儀器有限公司

索氏抽提器500ml沈陽(yáng)市華僑坡璃儀器廠(chǎng)

掃描電子顯微鏡JSM-6360LV日本日立公司

XLB-&400*400*2

平板硫化儀青島環(huán)球機(jī)械股份有限公司

E

轉(zhuǎn)矩硫化儀XSS-300上海科創(chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司

差示掃描量熱分析儀DSC-7美國(guó)TA公司

傅里葉紅外光譜分析儀NicoletiS10賽默飛世爾科技

實(shí)驗(yàn)儀器表

2.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.3.1光引發(fā)接枝反應(yīng)

將一定劑量的光引發(fā)劑占噸酮溶于少量乙醇，再將一定量的KH570、PP倒

入燒杯，用玻璃棒攪拌均勻。然后再將其全部置入大反應(yīng)器中，使用真空泵對(duì)其

進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)觀(guān)察到乙酹有輕微地沸騰現(xiàn)象時(shí)即可。完全密封后，將大反

應(yīng)器置入恒溫水浴鍋，并將溫度設(shè)定為60Co最后將大反應(yīng)器及水浴鍋一并置

入紫外線(xiàn)固化箱中，并以400W的固定功率進(jìn)行額定時(shí)間2h的照射。

I、占噸酮卜-

IKH570卜華PP混合物薪金界面劑.

X___________J

PP

光引發(fā)接枝反應(yīng)流程圖

2.3.2復(fù)合材料的制備

稱(chēng)取11份12g剪碎的麻纖維,9g、6g、4.5g、3g、1.5g、0.75g（分別對(duì)應(yīng)

含量為75%、5（）%、37.5%、25%、12.5%、6.5%）接枝后的粒狀PP界面劑和3g、

2.25g、1.5g、0.75g（分別對(duì)應(yīng)含量為20%、15%、10%、5%）接枝后的粉狀PP

界面劑，分別將1份麻纖維、1份界面劑和適量基體（保證每份樣品的質(zhì)量急和

為30g）均勻混合，平均分次置入轉(zhuǎn)矩流變儀，進(jìn)行麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制

備。

植物纖維粉末

擠出造粒注射成標(biāo)準(zhǔn)試樣性能測(cè)試

PP

圖3復(fù)合材料制備流程圖

2.3.3紅外測(cè)試

將經(jīng)過(guò)光引發(fā)接枝得到的聚丙烯界面劑置入真空循環(huán)水泵，洗去表面雜質(zhì),

再將聚丙烯界面劑進(jìn)行干燥，然后將平板硫化儀預(yù)熱到190C,再取適量界面劑

置入預(yù)熱好的平板硫化儀，將界面劑壓成厚度合適且可透過(guò)光的薄膜，置入紅外

光譜議并進(jìn)行測(cè)試。

2.3.4拉伸性能測(cè)試

使用）中片機(jī)將不同界面劑含量的麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料分別壓出5條I型樣

條，再使用游標(biāo)卡尺按對(duì)裁切后的PP片進(jìn)行測(cè)試段長(zhǎng)度和厚度的測(cè)量，將試樣

對(duì)稱(chēng)并垂直地夾于上下夾持器上，開(kāi)動(dòng)機(jī)器，拉伸試樣。記錄不同試樣的抗拉強(qiáng)

度和斷裂伸長(zhǎng)率。

2.3.5差示掃描量熱測(cè)試

將粉狀界面劑含量為10%的麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料切成細(xì)小顆粒巧，稱(chēng)取

3mg左右的試樣放入t甘堪中，將t甘摒蓋好，用壓片機(jī)制備樣品。同時(shí)制備一個(gè)不

含有界面劑的麻纖維/聚丙烯復(fù)合材料樣品t甘坂作為對(duì)比。在力溫速率為每分鐘

10C的條件下加熱到200C,保溫3min以消除熱歷史；然后在降溫速率為每分

鐘10C的條件下降溫至20C,保溫3min;然后在升溫速率為每分鐘10C的條

件下加熱至200Co

237維卡軟化點(diǎn)測(cè)試

分別將界面劑含量為10%的和不含界面劑的復(fù)合材料制成lOmmxlOmmx

3mm的樣品，并以每小時(shí)上升100℃的速率測(cè)定樣品的維卡軟化溫度。

2.3.8吸水性能測(cè)試

分別將界面劑含量為10%和不含界面劑的試樣進(jìn)行稱(chēng)重，精確至o.oooig,

然后將分別將其浸入裝有蒸儲(chǔ)水的容器中，試件表面低于水面5cm,溫度為室溫,

時(shí)間間隔為24h。24h后將試樣取出并再次迸行稱(chēng)重，精確至0.0001g。

第三章結(jié)果與討論

3.1接枝前后的紅外光譜對(duì)比分析

粒狀空白PP

接枝后粒狀

波數(shù)(cm"(-1))

圖8接枝粒狀PP與空白粒狀PP的紅外線(xiàn)對(duì)比圖譜

圖中，紅線(xiàn)為反應(yīng)前粒狀PP的紅外線(xiàn)譜圖，藍(lán)線(xiàn)為接枝后粒狀PP的紅外

線(xiàn)譜圖。已知1728c和1261cM-分別為酯類(lèi)C=0伸縮振動(dòng)和脂類(lèi)C-O-C不

對(duì)稱(chēng)振動(dòng)的特征峰；1087c〃「、8005「分別是Si-0-C的伸縮振動(dòng)和Si-0-C的

變形振動(dòng)，這4個(gè)峰為KH570的特征峰。如圖所示，圖中藍(lán)線(xiàn)較紅線(xiàn)分別在

1728.56CV〃T、1256.63c〃/、1092.34C7〃T、8O8.82C“T處多了峰。由此可以得出,

在紫外光福照和光引發(fā)劑、偶聯(lián)劑的共同作用下，發(fā)生了接枝反應(yīng)。雖然本次接

枝結(jié)果中4個(gè)特征峰不夠明顯，但相較于以前的接枝結(jié)果比較理想，決定將其用

于混煉。

粉狀空白pp

接枝后粉狀

(

％

)

樹(shù)

勿

股

01000200030004000

波數(shù)(cm7-D)

圖9接枝粉狀PP與空白粉狀PP的紅外線(xiàn)對(duì)比圖譜

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：試驗(yàn)結(jié)束后冷頸較易拔出

圖中，藍(lán)線(xiàn)為反應(yīng)前粒狀PP的紅外線(xiàn)譜圖，江線(xiàn)為接枝后粒狀PP的紅外線(xiàn)

譜圖。如圖所示，圖中紅線(xiàn)較藍(lán)線(xiàn)分別在1728.805尸、1256.34c"i、1091.945尸、

808.91處多了峰。由此可以得出，本次接枝效果比較理想，可以將其用于混

煉。雖然本次接枝結(jié)果中4個(gè)特征峰不夠明顯，但相較于以前的接枝結(jié)果比較理

想，決定將其用于混煉。

3.2界面劑含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

本次復(fù)合材料配方中麻纖維的添加量均為40%(樣品總量為30g,麻纖維即

為12g)。

01---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

01020304050607080

界面劑含斑：（％）

抗拉強(qiáng)度（MPa）--------斷裂伸長(zhǎng)率（％）

界面劑含量（％）抗拉強(qiáng)度（MPa）斷裂伸長(zhǎng)率（％）

7520.119.4

5()19.449.6

37.518.7912.9

2522.4511.1

12.52L976.7

6.520.887.8

抗拉強(qiáng)度（MPa）--------斷裂伸長(zhǎng)率（％）

界面劑含量（％）抗拉強(qiáng)度（MPa）斷裂伸長(zhǎng)率（％）

2028.8911.3

1523.458.7

1025.5911.6

522.9611.7

021.624.0

表14純PP樣品拉伸數(shù)據(jù)（不含麻纖維）

在PP中加入麻纖維共混改性后復(fù)合材料的力學(xué)性能下降，而且它們的平均

抗拉強(qiáng)度和平均斷裂伸長(zhǎng)率不穩(wěn)定,原因可能是麻纖維表面有許多雜質(zhì)（木質(zhì)素、

果膠和其他提取物），與聚丙烯混合時(shí)，這些雜質(zhì)不利于PP滲入黃麻纖維表面形

成結(jié)合界面，將會(huì)降低PP與麻纖維之間的界面粘合效果。其二是由于天然植物

纖維的密度較小，植物纖維在體系所中占體積比噌大，PP相對(duì)含量減小，承力

部分減少，材料的拉伸強(qiáng)度降低。另外，麻纖維的加入會(huì)使復(fù)合材料中產(chǎn)生纖維

凝聚現(xiàn)象，引起應(yīng)力集。使材料產(chǎn)生缺陷的幾率增大。同時(shí)，隨著粉狀界面劑比

例的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能成上升趨勢(shì)。主要原因是紫外輻照作用使材料體

系內(nèi)產(chǎn)生了適度交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，隨著交聯(lián)度的增加，PP分子間的纏結(jié)會(huì)增加，分

子結(jié)構(gòu)也由之前的線(xiàn)型變成網(wǎng)狀分子，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)后，分子鏈間的運(yùn)動(dòng)需要更

多的能量,在較小的力的作用下往往不易發(fā)生在的形變，致使材料拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)。

而隨著粒狀PP復(fù)合材料比例的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能上升得并不明顯，究

其原因可能是因?yàn)樽贤夤庹丈鋾r(shí)，粒狀PP的接觸面積不如粉狀PP的接觸面積

大，所以粒狀PP內(nèi)部并沒(méi)有得到充分反應(yīng)，因而混煉時(shí)影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以

得到的復(fù)合材料的力學(xué)性能也并無(wú)顯著提高。

3.3界面劑對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶行為的影響

10C/min升溫速率下空白PP與的DSC熔融曲線(xiàn)

0.0

斐技lOSpp.001

空白pp.001

-25-----—

,406080100120140160180200

向下放虺溫度（°C）UaiwersalV4.5ATAInsiruoenis

10C/min降溫速率下空白PP與的DSC熔融曲線(xiàn)

通過(guò)在中畫(huà)結(jié)晶曲線(xiàn)，如圖和圖，可以求得四種天然纖維復(fù)合材料的結(jié)晶特

征參數(shù)，詳見(jiàn)表和表。需要計(jì)算的降溫速率下的特征溫度有：起始結(jié)晶溫度幾和

結(jié)晶終止溫度心，結(jié)晶峰值溫度〃為曲線(xiàn)峰值所對(duì)應(yīng)的溫度，可以直接在結(jié)晶

曲線(xiàn)中獲得。在結(jié)晶曲線(xiàn)的最小斜率處，也就是曲線(xiàn)的最小值的溫度在曲線(xiàn)上的

對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的切線(xiàn)，與上斜率為處切線(xiàn)的交點(diǎn)，即為起始結(jié)晶溫度。同理，是結(jié)晶

曲線(xiàn)的最人斜率處的切線(xiàn)與上斜率為處切線(xiàn)的交點(diǎn)。

△乩卬

樣品〃(:C)。（匕）小匕）AT(t)At(min)xr(%)

(J/g)

PP125.8121.1115.110.71.0742.5720.56

1()%P

123.9120.0113.810.11.0145.1821.82

P

結(jié)合圖和表可知，和四種天然纖維復(fù)合材料的結(jié)晶區(qū)間在113c?125C）與

純塑料相比，添加了天然纖維之后，復(fù)合材料的結(jié)晶起始溫度、結(jié)晶峰值溫度和

結(jié)晶終止溫度都變大，最大相差約2七°這說(shuō)明天然纖維復(fù)合材料從高溫熔融狀

態(tài)冷卻的過(guò)程中，比純PP后開(kāi)始結(jié)晶并達(dá)到結(jié)晶狀態(tài)，從而增加了結(jié)晶時(shí)間。

從表中可以看出，天然纖維復(fù)合材料的相對(duì)結(jié)晶度明顯高于PP的。添加了天然

纖維之后，材料的相對(duì)結(jié)晶度顯著提高，添加麻纖維后，復(fù)合材料相對(duì)結(jié)晶度增

加了。這可能是由于植物纖維中含有約的纖維素，而纖維素中又含有結(jié)晶區(qū)，從

而增加了結(jié)晶區(qū)在整個(gè)復(fù)合材料晶體中的比重，導(dǎo)致相對(duì)結(jié)晶度的增加。也有可

能是由于純?nèi)廴跁r(shí)的流動(dòng)性較高（熔融指數(shù)為4.8g/10min）,天然纖維的加入增

加了基體結(jié)晶溫度時(shí)的粘度，從而提高了復(fù)合材科的