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木纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料：
壓縮和注塑成型工藝
摘要
含有不同種類(lèi)的木質(zhì)纖維（硬木纖維和軟木纖維）的木纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料經(jīng)過(guò)注射成型和擠壓成型工藝而成。人們針對(duì)不同處理系統(tǒng)和相容劑對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響進(jìn)行過(guò)調(diào)查。當(dāng)今研究是針對(duì)在處理系統(tǒng)和相容劑作用下木纖維聚丙烯復(fù)合材料的拉伸，彎曲，沖擊和影響性能。從研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于壓縮成型工藝，注塑成型工藝具有較好的拉伸和彎曲性能（拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度大約分為155%和60%）。簡(jiǎn)支梁沖擊增加了壓縮硬木材纖維聚丙烯（PP）復(fù)合材料成型的最值，在30%木材纖維含量的70％左右。相比較于壓縮成型工藝，注射成型過(guò)程的耐沖擊力更有優(yōu)勢(shì)。在注射成型過(guò)程中含50%木質(zhì)纖維的硬木材纖維聚丙烯復(fù)合材料阻尼指數(shù)最多可以降低60%。為了更好理解在這兩個(gè)加工系統(tǒng)中木纖維和聚丙烯之間的相互作用，本研究對(duì)復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡也有所探討。
關(guān)鍵詞：木纖維聚丙烯復(fù)合材料；注塑成型工藝；壓縮成型工藝；機(jī)械性能
引言
聚丙烯纖維復(fù)合材料的木材成為昂貴和缺乏環(huán)保材料的替代品。聚丙烯纖維復(fù)合材料是一種可回收聚合物，來(lái)自可再生能源派生的木纖維，且宜生物降解。在聚丙烯基體使用木材纖維擁有很多優(yōu)勢(shì)，如改善復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性，加工溫度較低，熱變形溫度較高，改善木表面外觀，質(zhì)輕，體積小，縮短了高達(dá)30％的注射成型產(chǎn)品的周期時(shí)間和易于生產(chǎn)高性能材料的產(chǎn)品。
相比較傳統(tǒng)的補(bǔ)強(qiáng)劑（如玻璃纖維和礦物顆粒），如今復(fù)合技術(shù)的進(jìn)展提高了他們的競(jìng)爭(zhēng)力。木粉填充物都是現(xiàn)成的木磨。作為磨削工藝的功能，它可以控制大小，粒徑分布，形狀，以及木粉顆粒的縱橫比。木粉通常包括一個(gè)破碎纖維的混合物，尤其是原纖化纖維和纖維束。與礦物顆粒相比，用聚丙烯復(fù)合的木粉強(qiáng)力地集合了比剛度和強(qiáng)度增高，加工過(guò)程中減少磨損，密度降低和價(jià)格低廉的特點(diǎn)。
注塑和擠出是用來(lái)生產(chǎn)柱狀或片狀形式的木纖維熱塑性復(fù)合材料的。注塑需要具有低分子量聚合物維持低粘度。《約翰遜自控汽車(chē)》對(duì)最新近的塑料天然纖維復(fù)合材料在汽車(chē)內(nèi)部零部件和木纖維聚丙烯復(fù)合材料產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)（如注塑成型，低壓注塑成型，共注射成型）的使用提出了一個(gè)概述。與對(duì)幾種自然和木纖維（黃麻，亞麻，紅麻，桉樹(shù)）被應(yīng)用到半成品，即注射成型過(guò)程中顆粒（簡(jiǎn)稱(chēng)天然纖維）的，幾種線(xiàn)路進(jìn)行重點(diǎn)研究。
（亞麻纖維，[3,4]麻，[5]黃麻，[6]稻殼，[7]和劍麻纖維[8,9]）自然屬性和木纖維[10]增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料注塑成型工藝中有所研究。
熱塑性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料區(qū)別于熱固性復(fù)合材料主要在于斷裂伸長(zhǎng)率較高，周期短和具有回收的可能性。壓縮成型技術(shù)被證明對(duì)任何熱塑性預(yù)浸的型材產(chǎn)品都適用。
壓縮成型技術(shù)無(wú)需壓縮材料就可溫和地將熱塑性預(yù)浸塑成所需的形狀。不同層取向也就此成型后保留。
約翰遜自控[11]比較了汽車(chē)門(mén)板制造的新材料和新工藝。該材料是一種天然纖維氈（亞麻，劍麻，大麻，紅麻）,表面噴有壓縮成型產(chǎn)出的聚氨酯樹(shù)脂。
麻纖維，[12-14]木纖維[15]和黃麻纖維[16]增強(qiáng)復(fù)合材料也由壓縮成型工藝制備。
最近的一項(xiàng)審查報(bào)告[17]描述了在不同處理系統(tǒng)中（擠出，注射成型，壓縮成型，混合機(jī)和擠壓過(guò)程）聚合物中自然木纖維的加固。混煉過(guò)程的一個(gè)重要特征是加入了相容劑，這種相容劑是用來(lái)克服極地木和非極地?zé)N聚合物之間的不相容。兼容性不足通常使沖擊和拉伸強(qiáng)度的下降。
這些研究旨在比較注射成型和壓縮成型工藝中木纖維（聚丙烯）復(fù)合材料的力學(xué)性能。
實(shí)驗(yàn)
材料：
高聚物基聚丙烯是由德國(guó)蓋爾森基興帝斯曼提供的一種顆粒（Stamylan P17M10），它的熔點(diǎn)是173°C，熔融指數(shù)為230度下10.5/10min。它在室溫下密度為0.905g/cm3。
木纖維
標(biāo)準(zhǔn)硬木纖維和軟木纖維，150-500mm大小，由德國(guó)J. Rettenmaier and So¨ hne GmbH t有限公司提供，值得關(guān)注的是硬木纖維和軟木纖維的纖維組織分別是纖維狀和立體狀的。
相容劑
市面上銷(xiāo)售的馬來(lái)酸酐共聚聚丙烯共聚物（Licomont，氬氣504 FG），一種用于纖維處理相容劑，這可以從德國(guó)法蘭克福科萊恩公司買(mǎi)到。用量大概是木纖維含量的5%，用來(lái)改善木纖維和聚丙烯基之間的相容性和粘著力。
配制和樣品制備
注塑成型工藝
硬木材纖維和軟木材纖維（30％和50％重量比）聚丙烯顆粒經(jīng)雙螺桿擠出機(jī)（哈克擠出機(jī)，RheomexPTW 25/32）混合，加或不加相容劑。混合前所有的木材纖維在空氣循環(huán)烘箱中以80°C溫度烘干24小時(shí)。注塑成型工藝制成備用樣品前，擠壓后顆粒需在80°C下再烘干24小時(shí)。在熔化溫度150 °C - 180 °C，模具溫度80°C-100°C，注塑壓力20kN/mm下，注塑成型工藝將干燥的顆粒制成實(shí)驗(yàn)樣品。
壓縮成型工藝
聚丙烯顆粒被轉(zhuǎn)換成粉末，然后與木材纖維混紡。木纖維和聚丙烯粉混合物放置于汽缸壓縮塊成型機(jī)，機(jī)內(nèi)壓力為20kN/mm，溫度達(dá)到190°C。氣缸維持20kN/mm5分鐘，然后在另一個(gè)裝有制冷設(shè)施的模子里冷卻（10 _C /分鐘）。準(zhǔn)備好的薄板放入3kN/mm壓力，180°C的壓縮成型機(jī)中5-10分鐘，使薄板厚度達(dá)到2mm。然后將壓片根據(jù)各種機(jī)械試驗(yàn)需要的DIN數(shù)字剪切成各個(gè)矩形標(biāo)本。
測(cè)量
根據(jù)EN ISO 527或EN ISO178，拉伸和彎曲強(qiáng)度（茲維克機(jī)，芬歐匯川1446年）在2毫米/分鐘的測(cè)試速度進(jìn)行了測(cè)試；EN ISO 527和EN ISO178是對(duì)于不同木纖維聚丙烯復(fù)合材料（加入相容劑或沒(méi)有加）而定的。所有測(cè)試是在室溫（23 _C）和相對(duì)濕度為50％進(jìn)行研究的。
簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 179）進(jìn)行了10個(gè)無(wú)缺口樣品試驗(yàn)。每個(gè)系列中，標(biāo)準(zhǔn)差（<15％）是用來(lái)衡量擺錘沖擊能量的。
為了測(cè)量特征值的影響，標(biāo)本是在室溫下以非滲透模式運(yùn)用低速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)（標(biāo)準(zhǔn)EN ISO 6603 - 2）進(jìn)行測(cè)試的。沖擊機(jī)有0.75千克，沖擊能量為0.96。
瀏覽顯微鏡掃描
利用掃描電子顯微鏡（SEM）（織女星TESCAN）對(duì)這兩個(gè)工藝生產(chǎn)得到的木纖維聚丙烯復(fù)合材料的形態(tài)進(jìn)行觀察研究。然而，彎曲試樣斷口需鍍上金后再在電子顯微鏡下進(jìn)行研究。
結(jié)果與討論
以重量為30%和50%纖維負(fù)載的木纖維聚丙烯復(fù)合材料來(lái)研究處理系統(tǒng)對(duì)力學(xué)性能的影響，如復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度，彎曲電子模量，沖擊強(qiáng)度和沖擊性能。我們已經(jīng)報(bào)道[18]過(guò)，含（馬來(lái)酸酐）-聚丙烯相容劑（濃度5%，相當(dāng)于木纖維含量）的木纖維聚丙烯復(fù)合材料性能最佳。這就是為什么在我們目前的工作中，兩個(gè)工藝中所有種類(lèi)的木纖維聚丙烯復(fù)合材料中馬來(lái)酸酐聚丙烯相容劑的含量都是5%。這些復(fù)合材料的各種性能進(jìn)行了以下的討論。
圖一顯示了兩個(gè)工藝中隨著木纖維（硬木纖維和軟木纖維）的變化和加入和沒(méi)加入相容劑情況下木纖維聚丙烯復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。在一般情況下，加入了相容劑的木纖維聚丙烯復(fù)合材料的機(jī)械性能顯示了一個(gè)增加的趨勢(shì)。圖1表明，由注塑工藝制備復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高于由壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料，它也說(shuō)明，加入相容劑后，注塑工藝制備硬木材纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高，幾乎在155％的升幅，壓縮成型工藝在50％木纖維含量。
從圖2和圖3中可以很容易看出一個(gè)處理系統(tǒng)對(duì)木纖維聚丙烯復(fù)合材料的彎曲性能的影響。據(jù)觀察，該復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度（圖2）顯示了隨著相容劑的加入而不斷增大。將兩個(gè)工藝進(jìn)行比較，30%的木纖維含量（硬木纖維和軟木纖維），結(jié)果相差不是很明顯。但是50%的木纖維含量時(shí)，注塑成型工藝?yán)鞆?qiáng)度更好，此時(shí)壓縮成型工藝需要60%的木纖維。圖3表明，兩個(gè)工藝中硬木纖維和軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的彎曲電子隨著拉伸強(qiáng)度變化相同。這意味著在30％木纖維含量（硬木材纖維和軟木材纖維）這差異不是很顯著。但在50％木纖維含量，相比較壓縮成型工藝，注塑成型工藝具有較好的彎曲強(qiáng)度，并具有增加的趨勢(shì)。圖4顯示了兩個(gè)工藝中加入相容劑的木纖維聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度的變化過(guò)程。從這些數(shù)字可以看出，注塑成型工藝制備的硬木纖維和軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度比壓縮成型工藝的要高。在復(fù)合材料中加入相容劑后壓縮成型工藝中的硬木聚丙烯復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高到最大值。大約是30%木纖維含量的70%。
圖5中描述的撞擊試驗(yàn)的結(jié)果可以說(shuō)是由兩個(gè)獨(dú)立問(wèn)題來(lái)描述。他們是：
（a）力撓度曲線(xiàn): 力撓度曲線(xiàn)是指所有材料反應(yīng)
(b)特征值: 作為耗能衡量的失能（Wv），作為儲(chǔ)能衡量的應(yīng)變能（Ws）和失能和應(yīng)變能比值稱(chēng)作為阻尼指數(shù)（A*）
圖6顯示了兩個(gè)工藝中硬木纖維和軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的耐沖擊性。圖6說(shuō)明了在兩個(gè)工藝中有和沒(méi)有相容劑的硬木纖維聚丙烯復(fù)合材料的耐沖擊性，注塑成型工藝的耐沖擊性更好，壓縮成型工藝中可以看到大量的起爆損壞。但隨著相容劑的加入，硬木纖維聚丙烯復(fù)合材料在壓縮成型工藝中的耐沖擊性能最好，沒(méi)有大量的起爆損壞。在軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的試驗(yàn)中（Fig. 6b），可清晰看出注塑成型工藝中的耐沖擊性比壓縮成型工藝的更好，沒(méi)有大量的起爆損壞。
所有樣品的阻尼指數(shù)，即采取的耗能（失能）與存儲(chǔ)的能量（應(yīng)變能）的比例，是用來(lái)來(lái)衡量特征值的影響。失能包括不可逆轉(zhuǎn)變形的能量，和由于基體裂變產(chǎn)生，傳播，分層，直到最后纖維斷裂所消耗的能量。
圖7顯示了兩個(gè)工藝中加入相容劑的硬纖維聚丙烯復(fù)合材料的阻尼指數(shù)。可以看出注塑成型工藝的阻尼指數(shù)比壓縮成型工藝相對(duì)較好，但不是很明顯。
顯而易見(jiàn)，所有情況下，相容劑的加入大大降低了阻尼指數(shù)，在含50%木纖維含量情況下，注塑成型工藝制備的硬木纖維聚丙烯復(fù)合材料最高，近60%。
圖8-10顯示的是在電子顯微鏡下觀察注塑成型工藝和壓縮成型工藝制備的木纖維聚丙烯復(fù)合材料彎曲斷口情況。圖8（a）和（b）顯示了在含有30%木纖維含量情況下，壓縮成型工藝制備的硬木纖維和軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的情況。圖8（a）和（b）都顯示了壓縮成型工藝中硬木纖維和軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料，在壓縮成型工藝中現(xiàn)有纖維拔出，脫粘，微纖化，就像一層到另一層。眾所周知，這些結(jié)構(gòu)（層與層）構(gòu)成瀏覽更高沖擊強(qiáng)度，從圖4中可知，壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料的簡(jiǎn)支梁強(qiáng)度比注塑成型工藝更高。
但圖9和圖10顯示兩個(gè)工藝中通過(guò)加入相容劑，木纖維和基體之間的相互作用更好。
圖9（a）和(b)展示了注塑成型工藝中加入和未加入相容劑的軟木纖維聚丙烯復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，其中木纖維含量為50%。圖10（a）和（b）展示的是與注塑成型工藝情況相同下的壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)。很明顯，在兩個(gè)工藝比較中，相比較壓縮成型工藝，注塑成型工藝制備木纖維聚丙烯復(fù)合材料的木纖維和基體相互作用更好。為了更好的理解，兩個(gè)工藝制備的復(fù)合材料的密度也都計(jì)量了。對(duì)于木纖維聚丙烯復(fù)合材料（30%木纖維含量），注塑成型工藝中復(fù)合材料密度是1.06g/cm3，而壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料密度是0.98g/cm3。壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料密度低表明此孔隙度大，也就是說(shuō)木纖維和聚丙烯之間的粘著力和相互作用力小。從這兩個(gè)工藝制備木纖維聚丙烯復(fù)合材料的機(jī)械力學(xué)也能推測(cè)出這樣的結(jié)果。
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