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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(guān)，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?；鞜掃^(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?？迫R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?；旌锨八械哪静睦w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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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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