添加荆含量对麦秸／聚乙烯微发泡复合材料加工与耐水性能的影响

doi：10.13360/j.issn.1000-8101.2015.04.027中图分类号：TQ328.2；TB332

高振棠1，蔡红珍2*

（1.济宁市技师学院，山东济宁 272000；2.山东理工大学）

摘要：通过改变麦秸粉和AC发泡剂添加剂含量，考察口模压力降，测定复合材料加工流动性及试样吸水性，研究添加剂含量对麦秸/聚乙烯复合材料加工与耐水性能的关系。将高密度聚乙烯与麦秸粉混合，经异向锥形双螺杆挤出机和片材口模成型加工麦秸/聚乙烯复合材料试样。结果表明：口模挤出压力降受麦秸粉、AC发泡剂用量的影响较大；麦秸粉用量低于40份时对复合材料体系的加工流动性影响不大，当麦秸粉用量高于40份时，麦秸粉的流动性较差，会严重阻碍链段的运动，导致复合材料的流动性下降；复合材料的24 h吸水率随麦秸粉用量的增加而增大。

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关键词：挤出工艺参数；吸水性；微孔发泡

Effects of additive content on process and water resistance properties of wheat straw?PE microcellular foaming composites

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GAO Zhentang， CAI Hongzhen

Abstract：The wheat straw?polyethylene （PE） composite samples were prepared by using a special die molding and the co?nical twin screw extruder. The pressure drop of die at different contents of wheat straw powder and AC blowing agent was investigated， and processing fluidity and water absorption of the composites were tested. The influence of additive contents on processing and water resistance properties of the wheat straw?PE composite was also studied. The results showed that the pressure drop of die was greatly influenced by the contents of AC blowing agent and straw powder. When the wheat straw content was under 40 copies， its influence on the processing fluidity was not significant. Above the 40 copies， the fluidity of wheat straw was significantly reduced， which seriously hindered the chain movement and led to the drop of composite flui?dity. The 24 h water absorption rate of the composite increased with the increase of wheat straw content.

Key words：extrusion process parameters； water absorption； microcellular foam

First author’s address： Jining Technician College， Jining 272000， Shandong， China

收稿日期：2014-12-13

修回日期：2015-01-21

基金项目：国家农业科技成果转化资金项目（2013GB2C600274）。

作者简介：高振棠（1974-），男，讲师，研究方向为生物质基复合材料。通信作者：蔡红珍，女，副教授。E?mail： CHZH666666@126.com

微孔发泡木塑复合材料就是将塑料、植物纤维、矿物填料、助剂、改性剂和发泡剂等原料按质量比混合，经木塑成型设备加工而成的泡孔均匀分布的复合材料，广泛应用于建筑装修、景观园林、家具生产和汽车内饰件等领域［1］。微孔发泡木塑复合材料的泡孔密度为109~1015个/cm3，泡孔平均直径小于100 μm。这些泡孔可以有效阻止材料中原有裂纹的扩展，使裂纹尖端变钝，韧性、冲击强度、热稳定性和疲劳周期等方面的性能都有显著提高，且可有效减小材料的密度。因此，对木塑复合材料进行微孔发泡能够克服机械和物理性能等方面的缺陷，较好地提高材料的使用性能［2-3］。

微孔发泡是木塑复合材料新的发展方向。武毅等［4］研究了泡孔结构参数对微孔发泡HIPS力学性能的影响，靖聪等［5］研究了微孔发泡注塑成型工艺参数对微孔形态的影响。当前对发泡机理的研究较多，而关于微孔发泡复合材料配方对其加工工艺参数及性能的研究较少。笔者主要研究了麦秸/聚乙烯复合材料配方对其加工参数和性能的影响，旨在为麦秸/聚乙烯复合材料加工工艺及配方优化提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

高密度聚乙烯（DMD1158），山东齐鲁石化公司；AC发泡剂，山东桓台博祥化工有限公司；马来酸酐接枝聚乙烯（MAPE），市售工业级；麦秸粉，粒径0.125~0.250 mm，自制。

1.2试验设备

场发射扫描电子显微镜（SEM），Sirion200型，荷兰FEI公司；电子天平，FA2004N型，河北承德试验机有限公司；异向锥形双螺杆挤出机，SJZ-45/90B型，上海金湖挤出设备有限公司；哈克转矩流变仪，RM-200型，哈尔滨哈普电器技术有限责任公司；高速混合机，自制。

1.3复合材料的制备及成型

将麦秸粉、高密度聚乙烯和MAPE按试验配方混合后放入异向锥形双螺杆挤出机中挤出成型［6］，成型片材尺寸为15 mm×55 mm，经冷却后切割加工成测试所需试样并记录口模挤出压力降数值。挤出试验中，挤出温度设定为155，170，180，160和165 ℃，主机螺杆转速控制在5.3 r/min左右。

1.4性能测试

1）24 h吸水率测定：参照GB/T 1034—2008《塑料吸水性的测定》将所得的复合材料加工成标准试样，试样24 h吸水率w=（m2-m1）/m1×100%。式中：m1为试样干燥后浸水前的质量，g；m2为试样浸水后的质量，g。

2）加工流变性能测试：将HAKER转矩流变仪加热至设定温度并保温30 min，将混合后的原料加入密炼室中，启动设备，测定塑化曲线，记录平衡扭矩。试验温度175 ℃，转速40 r/min。

2结果与分析

2.1AC发泡剂用量对口模挤出压力降的影响

以100份高密度聚乙烯，30份麦秸粉为基础，在口模温度为160 ℃，螺杆转速为5.3 r/min条件下，改变发泡剂的用量，测试结果如图1所示。随着AC发泡剂用量的增加，口模挤出压力降呈先下降后增加的趋势。在螺杆转速一定，挤出速度与口模冷却能力不变的前提下，气体分子溶解于PE熔体中减小了PE分子之间的摩擦，从而降低了口模压力降。根据Henry定律Cs=HPs ［6］，随着AC发泡剂的增加，PE熔体内溶入气体浓度Cs增加，气体饱和状态压强Ps增大，熔体对口模的压力降随之增大。

2.2麦秸粉用量对口模挤出压力降的影响

以100份高密度聚乙烯，2份AC发泡剂为基础，在口模温度为160 ℃，螺杆转速为5.3 r/min条件下，改变麦秸粉的用量，测试结果如图1所示。随着麦秸粉用量的增加，口模挤出压力降逐渐增大，麦秸粉用量达到70份时挤出压力降达到最大值，随后逐渐降低。这是因为：一方面，麦秸粉用量较少时，物料以聚乙烯为主，麦秸粉仅占据较小部分的空间，有利于复合材料的挤出与成型［7］，随着麦秸粉用量的增加，熔体流动性变差，挤出效率降低，较多的物料堆积在口模处，导致挤出压力降逐渐增加；另一方面，随着麦秸粉用量的增加，单位体积聚乙烯量减少，单位熔体所能溶解的气体量减少，无法阻止气泡中气体的膨胀，致使气泡壁破裂，大量的气体外泄并在口模处积滞，导致压力降逐渐减小［8］。

2.3麦秸粉用量对复合材料加工流动性的影响

复合材料体系的平衡扭矩大小反映了体系的加工难易程度，定性地表征了体系的黏度，平衡扭矩与体系黏度成正比。麦秸粉用量对平衡扭矩的影响见图2，随着麦秸粉用量的增加，复合材料的平衡转矩呈增大趋势。当麦秸粉用量从0增加到40份时，平衡扭矩从7.2 N·m增至7.5 N·m，增加较为缓慢，当麦秸用量高于40份后，复合材料体系的平衡扭矩急剧增加。由此可见，麦秸粉用量在一定范围内对复合材料的加工流动性影响较小；而高于40份时对复合材料的加工流动性影响较大。麦秸粉用量较少时较易分散在基体中，对体系的平衡扭矩影响不大，继续增加麦秸粉用量时，由于麦秸粉本身的流动性较差，且是一种刚性粒子，会严重阻碍聚乙烯链段的运动，增加熔体的黏度，降低材料的流动性［9］。

2.4麦秸粉用量对复合材料吸水性的影响

微孔发泡木塑复合材料用作园林景观材料和室内地板时不可避免会与水分接触。木塑复合材料吸水后会发生膨胀，尺寸稳定性等物理力学性能也会发生变化。

麦秸粉用量对复合材料24 h吸水率的影响见图2。随着麦秸粉用量的增加，复合材料的24 h吸水率逐渐增大。这是因为麦秸粉用量增加后，一方面会增大亲水性基团裸露的概率和数量，另一方面麦秸粉本身无法发泡，当AC发泡剂用量不变时，单位体积复合材料中麦秸粉用量的增加即表明聚乙烯含量的降低，AC发泡剂的量相对增加，复合材料的气泡开孔率增加，形成毛细孔吸水现象，导致吸水性增加。

3结论

1）在螺杆转速一定的前提下，随着AC发泡剂用量的增加，PE熔体内溶入气体量增加，导致熔体对口模压力降随之增大；随着麦秸粉用量的增加，熔体流动性变差，挤出效率变低，较多的物料堆积在口模处，导致挤出压力降逐渐增加。

2）麦秸粉用量低于40份时，麦秸粉较易分散在基体中，对复合材料体系的加工流动性影响不大；而当麦秸粉用量高于40份时，由于麦秸粉的流动性较差，会严重阻碍链段的运动，大大增加熔体的黏度，降低复合材料的流动性。

3）麦秸粉用量的增加会增大复合材料亲水性基团裸露的概率和数量，以及气泡的开孔率，导致复合材料24 h吸水率逐渐增加。

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参考文献

［1］鲁博，张林文，曾竟成，等. 天然纤维复合材料［M］.北京：化学工业出版社，2005：58.

［2］凯尔文T.奥卡莫特.微孔塑料成型技术［M］.张玉霞，译.北京：化学工业出版社，2004：1-4.

［3］蔡红珍，柏雪源，易维明，等.麦秸/聚乙烯复合材料的研究［J］.林业科技，2007，32（6）：42-44.

［4］武毅，刘春丽，何力，等.泡孔结构参数对微孔发泡HIPS力学性能的影响［J］.现代塑料加工应用，2012， 24（2）：19-22.

［5］靖聪，陈再良，王飞.微孔发泡注塑成型工艺参数对微孔形态影响的研究［J］.苏州大学学报：工科版，2012，32（6）：62-65.

［6］何继敏.新型聚合物发泡材料及技术［M］.北京：化学工业出版社，2008：396.

［7］高振棠，柏雪源，蔡红珍，等.HDPE/麦秸粉微孔发泡复合材料挤出工艺的研究［J］.工程塑料应用，2008，36（3）：40-43.