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1 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)過注射成型和擠壓成型工藝而成 人們針對不同處理系統(tǒng)和相容劑對 復(fù)合材料的力學(xué)性能的影響進(jìn)行過調(diào)查 當(dāng)今研究是針對在處理系統(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 注射成型過程的耐沖擊力更有優(yōu)勢 在注射成型過程中含 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 2 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 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 高了他們的競爭力 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 對最新近的塑料天 然纖維復(fù)合材料在汽車內(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 與對幾種自 然和木纖維 黃麻 亞麻 紅麻 桉樹 被應(yīng)用到半成品 即注射成型過程中 顆粒 簡稱天然纖維 的 幾種線路進(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 比較了汽車門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)和擠壓過程 聚合物中自然木纖維的加固 混煉過程的一個(gè)重 要特征是加入了相容劑 這種相容劑是用來克服極地木和非極地?zé)N聚合物之間 3 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 4 實(shí)驗(yàn) 材料 高聚物基聚丙烯是由德國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 cm 木纖維 標(biāo)準(zhǔn)硬木纖維和軟木纖維 150 500mm 大小 由德國 J Rettenmaier and So hne GmbH 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 市面上銷售的馬來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 這可以從德國法蘭克?？迫R恩公司買到 用量大概是 木纖維含量的 5 用來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 5 測量 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 分鐘的測試速度進(jìn)行了測試 EN ISO 527 和 EN ISO178 是 對于不同木纖維聚丙烯復(fù)合材料 加入相容劑或沒有加 而定的 所有測試是 在室溫 23 C 和相對濕度為 50 進(jìn)行研究的 簡支梁沖擊試驗(yàn) 標(biāo)準(zhǔn) EN ISO 179 進(jìn)行了 10 個(gè)無缺口樣品試驗(yàn) 每個(gè) 系列中 標(biāo)準(zhǔn)差 15 是用來衡量擺錘沖擊能量的 為了測量特征值的影響 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 6 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)合材料來研究處理系統(tǒng)對力 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 含 馬來酸酐 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)工藝中所有種類的木纖維聚丙烯復(fù)合材料中馬來酸酐 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 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)?強(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 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)果可以說是由兩個(gè)獨(dú)立問題來描述 他們是 a 力撓度曲線 力撓度曲線是指所有材料反應(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 說明了在兩個(gè)工藝中有和沒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 是用來來衡量特征值的影響 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 7 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較好 但不是很明顯 顯而易見 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 cm 而壓縮成型工藝制備的復(fù)合材料 密度是 0 98g cm 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)也能推測出這樣的結(jié)果