聚丙烯秸稈復(fù)合材料的制備

聚丙烯秸稈復(fù)合材料的制備

植物稻草是谷物的副產(chǎn)品，主要包括稻草桿、麥桿、高粱桿和玉米桿。在中國，每年生產(chǎn)1噸糧食。一般來說，1噸糧食可以產(chǎn)生1噸稻草。秸稈本身是一種天然高分子材料,來源非常豐富,且價格低廉、密度低,具有良好的生物降解性。我國對秸稈的利用除用于造紙、牲畜飼料外,大多數(shù)通過掩埋、焚燒等方法處理掉,這不僅浪費了資源,而且污染了環(huán)境。從環(huán)境保護(hù)和資源開發(fā)利用的角度出發(fā),對植物秸稈經(jīng)過一定的化學(xué)和機(jī)械處理,作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料在國內(nèi)外已受到高度重視,并取得了一定進(jìn)展。筆者選用麥桿,經(jīng)粉碎表面處理后,與聚丙烯(PP)復(fù)合,采用熱壓成型的方法制備了PP/秸稈復(fù)合材料,并對其成型工藝進(jìn)行了試驗研究。1實驗部分1.1秸稈生物利用試驗PP:PP1300,北京燕化石油化工股份有限公司;秸稈:就地采集的麥桿;NaOH:化學(xué)純,天津市化學(xué)試劑三廠硬脂酸:工業(yè)級,北京順義縣李邃化工廠;順丁烯二酸酐:工業(yè)級,成都化學(xué)試劑廠。1.2年生來電爐廠箱式電阻爐:SX2-4-10型,天津市華北實驗電爐廠;液壓式萬能試驗機(jī):WE-300B型,長春試驗機(jī)廠;光學(xué)分析天平:TG328A型,上海海康電子儀器廠。1.3樣品制備(1)秸稈熱重構(gòu)的最優(yōu)烘干溫度及保溫時間的確定將采集來的新鮮麥桿用5%NaOH水溶液浸泡48h進(jìn)行堿化處理,以打破秸稈纖維素中半纖維素與阿魏酸之間的酯鍵及木質(zhì)素與阿魏酸、對一香豆酸之間的醚鍵和酯鍵,使部分半纖維素和木質(zhì)素溶解,提高秸稈纖維的熱穩(wěn)定性。堿化處理后的秸稈經(jīng)水洗、中和后再放入烘箱中進(jìn)行干燥處理。根據(jù)秸稈熱失重分析曲線(圖1)確定最佳的烘干溫度為130℃,保溫時間為120min。用粉碎機(jī)將處理干燥后的秸稈粉碎,并用550μm(30目)篩子篩選后裝入塑料袋封裝,備用。(2)秸稈覆蓋厚度的確定,利用表面質(zhì)量進(jìn)行復(fù)合化社會法分析,將不同秸稈原料加入模具設(shè)備,并將其作為復(fù)合原料做功PP/秸稈復(fù)合材料配方如表1所示。其中硬脂酸用以改善秸稈團(tuán)聚的不均勻分布,順丁烯二酸酐用以改善秸稈與PP的界面粘合性。按表1的配方,將配好的原料放入攪拌機(jī)中攪拌均勻后,再放入箱式電阻爐加熱到190～210℃,并進(jìn)行熱-機(jī)械共混,將混合好的物料放入如圖2所示的經(jīng)預(yù)熱到同樣溫度的模具中,在液壓式萬能試驗機(jī)上加壓35kN,保壓15min,卸載冷卻后脫模,即可制得不同秸稈含量的PP/秸稈復(fù)合材料試樣。制備工藝流程見圖3。1.4對吸水性和耐腐蝕性的檢驗(1)吸水率的測定試樣尺寸為10mm×10mm×10mm,于室溫下在水中浸泡5d,用光學(xué)分析天平測試質(zhì)量變化,按下式計算吸水率:吸水率=(M1?M0)M0×100％吸水率=(Μ1-Μ0)Μ0×100％式中:M0——浸泡前的質(zhì)量;M1——浸泡后的質(zhì)量。(2)腐蝕率的測定試樣尺寸仍為10mm×10mm×10mm,室溫下分別置于30%的NaOH和30%的硫酸中浸泡5d,用光學(xué)分析天平測試質(zhì)量變化,按下式計算腐蝕率:腐蝕率=M1?M2M0×100％腐蝕率=Μ1-Μ2Μ0×100％式中:M0——浸泡前的質(zhì)量;M1——吸水后的質(zhì)量;M2——酸堿腐蝕后的質(zhì)量。2結(jié)果與討論2.1填料的相對粘度圖4是PP/秸稈復(fù)合材料熱壓成型試樣。由圖4可見,隨秸稈含量的增加,熔體粘度增加,流動性降低,秸稈纖維的分布均勻性下降,成型性變差。通常,熔體粘度與組成有如下關(guān)系:I相對=K1?jJΙ相對=Κ1-jJ式中:I相對——相對粘度;j——填料的體積含量;J——成型板材中填料所占的體積;K——常數(shù),取2.5。由上式可見,秸稈含量越高,相對粘度將會增大。表2為秸稈含量對復(fù)合材料熱壓成型性的影響。由表2可見,秸稈含量小于40份時成型性較好(見圖4),60份以上時粘結(jié)力很弱,將無法成型。2.2熱壓溫度和脫色溫度為了獲得秸稈分布比較均勻的復(fù)合材料,采取了粉料共混和熔體共混(熱-機(jī)械共混)的雙重共混工藝,當(dāng)加熱溫度較低(粘流溫度以下)時,只能完成粉料共混,這樣壓制得到的試樣中秸稈均勻性很差,成型性也很差。只有當(dāng)加熱溫度高于粘流溫度以上,混合物處于粘流狀態(tài)才能實現(xiàn)對熔體的熱-機(jī)械共混。由于熔體在熱能和機(jī)械剪切力場作用下再次實現(xiàn)了共混組分之間的均勻混合,為爾后熱壓成型制備秸稈分布比較均勻的復(fù)合材料試樣創(chuàng)造了條件。秸稈含量增加時,熔體粘度增大,流動性降低。為了降低粘度,增大熔體流動性,對秸稈含量高的物料采取了提高加熱溫度(190～210℃)和加大機(jī)械剪切速率等措施,但加熱溫度太高時,將會引起PP分解和秸稈炭化,這對制備工藝是不利的?？刂坪线m的熱壓溫度和脫模溫度也是獲得良好成型制品的關(guān)鍵。筆者選取在180℃熱壓成型,80～100℃脫模的工藝,即高彈態(tài)熱壓、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度附近卸壓、定型、脫模,可獲得良好的復(fù)合材料試樣。2.3秸稈的堿化反應(yīng)由于秸稈纖維的表面具有強(qiáng)烈的吸水性,而作為基體的PP卻是疏水性的,因此兩者之間的相容性很差,導(dǎo)致界面的粘結(jié)性不良。為了改善兩者界面的相容性,筆者采取了加入添加劑改性的方法,改善了復(fù)合材料的成型性。用5%NaOH堿水溶液對秸稈進(jìn)行堿化處理,以打破秸稈纖維的酯鍵及醚鍵,使部分半纖維素和木質(zhì)素溶解,提高了秸稈纖維的熱穩(wěn)定性。據(jù)報道,經(jīng)堿化處理后的纖維中能形成許多空腔,增強(qiáng)了聚合物基體與纖維的鎖緊力。加入順丁烯二酸酐使秸稈發(fā)生酯化反應(yīng),降低極性和吸濕性,同時使PP得到改性,使秸稈與PP之間形成化學(xué)鍵,增強(qiáng)界面的粘結(jié)性。另外,由于采取高溫高壓成型工藝,在熱壓成型過程中,可使秸稈纖維能強(qiáng)制性地與基體壓合,形成機(jī)械纏結(jié)(或稱機(jī)械鉸鏈),以機(jī)械的方法增強(qiáng)了界面的粘合性。硬脂酸的加入及良好的熱壓工藝較好地解決了PP/秸稈復(fù)合材料的成型問題。2.4復(fù)合材料耐水性能表3是PP/秸稈復(fù)合材料的吸水性。從表3可見,隨秸稈含量的增加,復(fù)合材料的吸水率增加,其原因是秸稈具有較高的吸水率所致。但與純木吸水率87.169%相比,該復(fù)合材料的吸水率仍然很低,所以PP/秸稈復(fù)合材料具有良好的耐水性。表4示出PP/秸稈復(fù)合材料的耐酸堿腐蝕性。從表4可見,隨秸稈含量增加,復(fù)合材料的耐酸堿腐蝕率增大。這種腐蝕雖在電解液中進(jìn)行,但由于秸稈與PP兩相并不存在電極電位差,不構(gòu)成微電池,故屬非電化學(xué)腐蝕。雖存在化學(xué)腐蝕,但腐蝕速度緩慢。所以,PP/秸桿復(fù)合材料具有良好的耐酸堿腐蝕性。3復(fù)合材料的制備方法(1)用熱壓成型方法可以制備秸稈含量為10～50份的PP/秸桿復(fù)合材料?？刂平斩捄俊釅簻囟?、保溫