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稻壳与聚乙烯复合材料力学性能的研究

作者: 章锐

  摘要:以稻壳和聚乙烯为主要原料,制备了复合材料。同时,测试了该材料的冲击强度、弯曲强度和拉
  伸强度。通过方差分析,得到了稻壳添加 量、硅烷添加量以及玻璃纤 维添加量对稻 壳/聚乙烯复合材料力学性能的影响。研究结果表明,稻壳添加量对力学性能有显著性影响;硅烷添加量对冲击强度和弯曲强度有显著性影响;玻璃纤维添加量只对弯曲 强度有显著性影响。
  
  引言:
  长期以来,国内外学者对稻壳的综合利用技术进行了广泛的研究,探索了许多有效的利用途径。近年来发展的利用稻壳与塑料挤压成型制造木材替代材料(木塑材料)是比较好的又一个途径。木塑复合材料具有比 单独的木质 材料或塑料产品更优异的性能,与木质材料相比,具有干湿状强度高、尺寸稳定性好、材质均匀、耐水性能好、强重比高等优点,且易制成各种形状的制品;与塑料、金属等材料相比,具有热稳定性好、低毒、不容易锈蚀、成本低等优点。目前,利用稻壳制造复合材料已成为木塑复合材料行业的热点。本文初步探讨了用稻壳和聚乙烯为主要原料,应用植物 纤维改性以及改善界面相容性等技 术手段,将稻壳、塑料与助剂一起熔融、混炼再加工成型制成复合材料,并通过方差分析得出配料中各组分对复合材料力学 性能的影响是否显著。
  1、试验部分
  1.1原料
  稻壳粉: 20 ~80 目,自制。高密度聚乙烯(HDPE):DMDY 1158,齐鲁石化。偶联剂:硅烷,工业级,市售。加强剂:玻璃纤维,市售。其它:硬脂酸钙、石蜡等,工业级,市售。
  1.2仪器设备
  设备名称 型号 备注
  锥形双螺杆挤出机 SJS Z45/ 90B
  高速混合机 自制
  组合式高速粉碎机 SF-25 0 上海中药机械厂
  电热恒温鼓风干燥箱 DHG -962 3A 上海精宏实验设备公司
  万能试验机 WDW102 0 长春科新公司
  冲击实验机 XJJ-5承德试验机有限公司
  万能制样机 ZHY-W承德试验机有限公司
  1.3试验方法
  1.3.1配方设计
  根据塑料和植物纤维的特点以及木塑复合材料的使用要求及其成型加工工艺要求,设计配方时主要考 虑:
  1) 加入适量的植物纤维,提高复合材料的刚度,并使之有木质感;
  2) 加入适量的加强剂,提高复合材料的强度;
  3) 加入适量的偶联剂,提高植物纤维和基体塑料之间的界面结合力;
  4) 加入适量的稳定剂和抗氧化剂,减缓塑料和植物纤维在加工过程中的降解和烧焦 ;
  5) 加入适量的润滑剂,提高体系的分散性和物料的流动性;
  6) 其它的实用配方中各组份的具体品种和用量根据复合材料的使用要求以及生产工艺决定,同
  时要考虑生产成本 。
  1.3.2试验方案
  试验选用三因素三水平完全试验:三因素是稻壳、玻璃纤维和硅烷偶联剂,水平是三水平。试验指标是冲击强度、弯曲强度、拉伸强度。
  1.3.3工艺过程
  1) 植物纤维的预处理。
  为了增加植物纤维与塑料结合的表面积,提高成品的力学性能,必须对稻壳等纤维进行分选去杂、粉碎烘干、改性等预处理。用组合式高速粉碎机把稻壳粉碎,粒度一般要求在20~80 目之间[6 ,7],要求无霉变、无结块、无杂物。稻壳粉的吸水性很强,在试验前必须经过干燥处理,以排除水分和低分子挥发物 。
  2) 混合。
  混合过程仅增加各组分微小粒子空间分布的无规则程度,而不减少粒子本身尺寸。在混炼前用混 合的方法使得原辅材料先有一定均 匀性,以缩短混炼时间。由于原料不均匀,混炼除需较长时间外,聚合物也易 降解,从而影响制品质量。因此,在混炼前将物料预先混合就显得很重要。配方的组份很多,加料顺序是严格的。所选择的加料顺序应有利于助剂作用的发挥,避免助剂的不良协同效应,还要提高分散速度。
  3) 混炼。
  将混料进行热熔、混炼,使材料预塑化,排除挥发物,以便在挤出型材时,能够完全塑化。
  4) 挤出成型。
  在挤出成型的过程中,挤出温度、螺杆转速、挤出压力、冷却定型、牵引速度和加料速度等参数直接影响到制品的性能。温度是木塑复合材料挤出成型的一个重要的工艺条件,是影响塑化及材料质量的主要因素。各段的温度尽可能稳定,尤其是机头的温度控制必须保证在合适的范围内:高出合适的范围,挤出样品炭化,强度降低;低于合适的范围,出料不均匀,有塑料颗粒没有熔融。挤出过程中设定的温度。
  1.4测试方法
  1) 冲击强度:试样选用 I 类,缺口选用 A 型,
  按照标准 GB/T1043-93 硬质塑料简支梁冲击试验方法在室温下进行测试。数据取两位有效数字,以10个有效数据的算术平均值表示试验结果 。
  2) 弯曲强度:按照 GB/T9341-2000 塑料弯曲性能试验 方法在室温下进行 测试, 加载速度为2mm/min,弯曲到试样厚度的 1.5 倍时得到材料的弯曲强度。数据取两位有效数字,以 5 个有效数据的算术平均值表示试验结果。
  3) 拉伸强度:试样选用 I 类,加载速度为2mm/min,按照GB/T1040-92 塑料拉伸性能试验方法在室温下进行测试。数据取两位有效数字,以 5 个有效数据的算术平均值表示试验结果。
  2、结果与分析
  2.1测试结果
  2.2试验结果分析
  把实验中的数据进行方差分析,讨论试验因素对试验指标影响是否显著,分重复试验和非重复试验两种情形。本试验在分析稻壳添加量、玻璃纤维添加量以及硅烷添加量三因素对冲击强度、弯曲强度、抗拉强度 3 个试验指标的影响时,进行的是非重复试验,试验重点是研究该试验的三元方差分析,不考虑各 因素的交 互作用。分别取显 著性水 平α=5%,1%,0.5%,查表得到 05.0F (2,20)=3.49,01.0F (2,20)=5.85, 005.0F (2,20)=6.99。 2.2.1冲击强度方差分析根据表4 的数据,得到冲击强度方差分析表(如表5 所示)。比较知 1xF > 005.0F (2,20), 2xF < 05.0F(2,20), 01.0F (2,20)> 3xF > 005.0F (2,20)。故可以得出结论:稻壳添加量对复合材料的冲击强度有显著性影响玻璃纤维添加量对复合材料的冲击强度没有显著性影响,而硅烷添加量对冲击强度有比较明显的影响,但其影响小于稻壳 添加量。
  2.2.2 弯曲强度方差分析
  根据实验,得到弯曲强度方差分析表。比较知 1xF > 005.0F (2,20), 2xF >F0.05(2,20), 3xF >005.0F (2,20)。故可以得出结论:稻壳添加量和硅烷添加量对复合材料的弯曲强度有显著性影响,而玻璃纤维添加量对复合材料的弯曲强度有明显的影响,但影响低于稻壳和硅烷。
  2.2.3拉伸强度方差分析
  根据实验,得到 拉伸强度方差分析表。比较知 1XF > 005.0F (2,20), 2XF >F0.05(2,20), 3XF >005.0F (2,20)。故可以得出结论:稻壳添加量对复合材料的拉伸强度有显著性影响,而玻璃纤维添加量及硅烷添加量对复合材料的拉伸强度没有显著性影响。
  3、结论 :
  通过方差分析可以得出:稻壳添加量对复合材料的力学性能有显著性影响,玻璃纤维添加量只对复合材料的弯曲强度有显著性影响,硅烷添加量对复合材料的冲击和 弯曲有显著性影响。
  参考文献:
   [1]张声俭.稻壳的开发利用 [J]. 粮食与饲料 工业, 1999(1):20-22.
  [2]周德凤,郝婕,巴晓微,等.稻壳的开发利用[J].长春工业大学学报(自然科学 版),2004,25(1): 59-62.
  [3]苑志伟,张国立,陈志达,等.新型化工环保材料制品―木塑托 盘的技 术分析 及市场前景[J].化工新
  型材料,2000,28(8):27-31.
  [4]王宏棣.一种新型 人造板材―高填料 木塑板[J].林业科技通讯 ,2000(9):38.
  [5]丁建生,唐伟家,吴汾.塑木复合材料及其制备 加工[J]. 现代塑料加工应用 ,2002,15(1 ):16-18.
  [6]Craig Clemons.美国木塑复合材料的历史、 现状及展望[J]. 朱家琪,译.人造板 通讯,2002(11):19- 21.
  [7]薛平,张明珠,何亚 东,等.木塑复合材料挤出成型特性的研究 [J]. 中国塑料,2001,15 (8):53-59.
  [8]冯孝中.塑料包装材 料的循环再生―木塑材料加工技术[J]. 包装工程,1997,18(5):15- 18.
  [9]张明珠.木质纤维填 充热塑性塑料复合材料与挤出成型的研究 [D]. 北京:北京化工大学 ,2001.
  作者简介
  姓名:章锐性别:男籍贯:湖北省孝感市职称:学生学历:本科 工作单位:孝感学院

论文来源:《中国科技财富》 2011年第2期
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