天然橡胶-有机蒙脱土纳米复合材料的耐磨耗性能研究(完整版)实用资料

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加工·应用天然橡胶_有机蒙脱土纳米复合材料的耐磨耗性能研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）弹性体,2021-04-25,22(2:71~75CHINAELASTOMERICS收稿日期:2021-11-01作者简介:赵伟(1986-,男,山东临沂人,硕士研究生,主要研究方向为纳米复合材料等方面的研究。*青岛市科技计划基础研究项目课题资助(09-1-3-29-jch**通讯联系人天然橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的耐磨耗性能研究*赵伟1,宋国君1,李培耀1**,单春鹏1,亓彬1,孙春鹏1,马培育2,陈林2(1.青岛大学高分子材料研究所,山东青岛266071;2.青岛华夏橡胶工业,山东青岛266108摘要:采用4种不同牌号的有机化蒙脱土(OMMT,利用机械共混法制备出了NR/OMMT纳米复合材料,研究了复合材料的力学性能和耐磨性能,进行了透射电镜(TEM和扫描电镜(SEM分析。结果表明复合材料的力学性能和耐磨性都有不同程度的提高。TEM结果表明制备出了分散均匀的剥离型NR/OMMT纳米复合材料,通过纳米复合材料磨耗后的磨耗图纹及SEM表面形貌进行对比分析来探讨OMMT在橡胶中的耐磨机理。关键词:天然橡胶;有机蒙脱土;纳米复合材料;耐磨性能中图分类号:TQ332.6文献标识码:A文章编号:1005-3174(202102-0071-05磨耗性能是与橡胶制品的使用寿命密切相关的一项非常重要的力学性能指标,其主要表征橡胶制品在受到外界摩擦力的作用下因材料表面破坏而产生磨损的抵抗能力。为了提高橡胶制品的耐磨性和使用寿命,降低能耗,节约成本,国内外的专家和学者对此进行了广泛而且深入的研究[1~6],因此,橡胶的磨损磨耗研究一直是当今材料摩擦学领域研究的热点之一[7~10]。工程轮胎的使用条件比较苛刻[11],要求轮胎胎面胶低生热,并且有良好的耐磨性和耐疲劳破坏性能。天然橡胶(NR作为工程轮胎的胎面胶可以使轮胎在行驶时生热低、滚动阻力小,能有效地降低耗油量,因此,研究NR的耐磨性能有非常重要的意义。聚合物/蒙脱土纳米复合材料(PLSN是一种新型的纳米复合材料,由于蒙脱土具有特殊的纳米片层结构,使其表现出不同于传统复合材料的特点,能明显改善复合材料的加工性能、力学性能[12,13]、热稳定性能[14]、气体阻隔性能[15]、阻燃性能和化学特性等。本文采用实验室自制的改性有机蒙脱土(OMMT,通过选择不同牌号的OMMT来研究新型的耐磨材料有机蒙脱土对NR耐磨性能的影响,初步探讨了该体系的耐磨机理。1实验部分1.1主要原料NR:国标五号,海南天然橡胶产业集团股份;OMMT:牌号分别为FMR112#(1#、FMR212#(2#、FMR312#(3#、FMR412#(4#,青岛大学高分子材料研究所自制,应用于不同种类的橡胶;其它配合剂均为市售工业产品。1.2仪器及设备JEM-1200EX型透射电子显微镜:日本JE-OL公司生产;DXLL-50000型万能电子拉力试验机:上海德杰仪器设备有限公司生产;JEM-6390LV型扫描电镜:日本JEOL公司生产。1.3NR/OMMT纳米复合材料的制备硫化胶配方(质量份:NR100.0;ZnO5.0;硬脂酸(SA2.0;促进剂CZ1.5;促进剂DM0.5;硫磺1.5;防老剂4010NA1.0;OMMT(1#~4#3.0。首先将NR在双辊开炼机上塑炼2~4min至完全包辊,每边割胶几次,然后加入OMMT,待完全加入后调辊距至0.2mm薄通3次,依次加入ZnO、SA、促进剂CZ、DM、S和防老剂4010NA,并且每次左右交替割胶3次,混炼均匀,总时间大约为15min,再调节辊距至0.2mm薄通6次,然后在2.0cm辊距下片放置一段时间后,测试混炼胶的正硫化时间t90进行压模硫化。1.4性能测试与表征1.4.1透射电镜(TEM测试试样硫化后用环氧树脂包埋,用超薄切片机进行切片,在JEM-1200EX型透射电子显微镜上观察纳米复合材料的亚微观形态。1.4.2力学性能测试按照国标GB/T528—1998和GB530—1981在DXLL-50000型万能电子拉力试验机上测试样品的拉伸性能和撕裂性能,拉伸速度为500mm/min,测试温度为(25±2℃。1.4.3阿克隆磨耗测试将测试样条粘在胶辊上,预磨600r,称其质量为M0,再磨3416r(1.61km,称其质量为M1,橡胶复合材料的磨耗体积V=(M0-M1/ρ。1.4.4扫描电镜(SEM测试在阿克隆磨耗试验机磨损后的表面喷金,然后在JEM-6390LV型扫描电镜上观察其微观形貌。2结果与讨论2.1力学性能对比分析表1中1#~4#为NR分别加入3phr不同牌号OMMT制备的纳米复合材料,从中可以清楚地看到不同牌号有机蒙脱土的加入对NR具有明显的增强作用,复合材料的拉伸强度、300%定伸强度、撕裂强度和硬度都均明显高于纯NR。橡胶的回弹性即冲击弹性是表征橡胶在受力变形时可恢复的弹性形变大小。从表1中可知OMMT加入后,各复合材料的回弹性都有不同程度的上升。NR具有弹性好及拉伸结晶的特点,结晶使橡胶的弹性网络更加完善,因此NR有良好的回弹性。加入少量的OMMT后,蒙脱土片层参与了交联反应,提高了复合材料的交联密度,减小分子链段间的滑移,提高了硫化胶的回弹性。表13phr不同牌号OMMT与NR制备的纳米复合材料物理机械性能数据性能纯NR1#2#3#4#300%定伸/MPa2.282.832.692.782.63拉伸强度/MPa22.6024.7426.3524.0125.61回弹率/%6064666567撕裂强度/(kN·m-133.2130.2838.2237.5238.313phr不同牌号的OMMT添加到NR中后,复合材料的拉伸强度和撕裂强度与纯NR相比都有不同程度的提高,其中2#OMMT的增强效果最显著,与纯NR相比,其拉伸强度和撕裂强度分别提高了3.75MPa和5.01kN/m,体现了纳米级OMMT低填充高补强的特点。2.2不同牌号OMMT耐磨性能对比分析图1为不同牌号OMMT(3phr/NR复合材料阿克隆磨耗体积变化对比柱形图。从图1可以看出,与纯NR耐磨性相比,不同牌号OMMT加入后,复合材料的耐磨性都有一定程度的提高。这是由于蒙脱土是无机填料,其密度大于橡胶,因此蒙脱土加入后,复合材料的密度都会增加。有机蒙脱土的加入会阻碍受力时复合材料裂纹的扩展,提高了材料的定伸强度和撕裂强度,这二者都会降低其摩擦系数,从而提高复合材料的耐磨性能。不同牌号的OMMT图1不同牌号OMMT(3phr/NR复合材料阿克隆磨耗体积变化对比柱形图此外,从4种材料的磨耗体积还可以看出,与纯NR的耐磨性相比,2#复合材料的磨耗体积最小,从4.1cm3减少到1.7cm3,降低了59%,这对于橡胶材料的耐磨性来说意义非常重大,因此2#复合材料的耐磨性能最佳。这是因为2#OMMT与橡胶基体具有更好的相容性,阻碍了橡胶基体的分子链呈带状结构从橡胶中抽出,减弱了发生粘附摩擦的趋势,从而显著提高了复合材料的耐磨性。而其它牌号的OMMT由于分散性及相容性的原因,对NR耐磨性的提高不如2#OMMT。2.3OMMT/NR纳米复合材料的亚微观结构分析图2为OMMT与NR机械共混制得的纳米复合材料的TEM照片,其中灰色区域代表橡胶基体,黑色线条是分散在NR中的OMMT片层。从图2可以看出,蒙脱土片层均匀地分散在橡胶基体中,且都被剥离成单片层的细丝状结构,片层的厚度5nm左右,长度约为100nm,没有团聚体存在,并且OMMT片层与橡胶基体间的界面比·27·弹性体第22卷较模糊,说明二者之间相容性好,没有相分离现象的发生,界面结合力很强,可以确认制备出了剥离型的纳米复合材料。图2NR/OMMT纳米复合材料的TEM照片2.4磨损表面形貌的对比及磨耗机理分析从图3可以明显地看到,在阿克隆磨耗试验机上磨损后NR发生了剧烈的磨耗,在橡胶表面出现了一系列与滑行方向平行的山脊状表面磨损图纹,其图纹间距为1~2mm,这是由于橡胶与摩擦体之间的摩擦力很大,摩擦体的坚硬面划破(微小割伤橡胶表层所致。(a纯NR不同牌号的OMMT加入后,其磨耗图纹都发生了一定的变化,台阶呈互相平行分布,与纯NR的磨耗图纹相比,复合材料的图纹结构变得更加细密,各个台阶之间的距离变小。其中2#复合材料的效果最明显,磨耗图纹间的间距最小,图纹间距为0.3~0.6mm,降低了发生粘附摩擦的趋势,从而显著地提高了复合材料的耐磨性,这与·37·第2期赵伟,等.天然橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的耐磨耗性能研究前面的阿克隆磨耗磨耗体积相对应。图4为采用优选出的2#OMMT制备的NR/OMMT复合材料与纯NR磨耗后SEM表面形貌对比图。从图4可以明显地看到,在高放大倍数下(图4中图c~图f,加入OMMT的磨耗颗粒变得更小,台阶也变得较低,橡胶基体中也没有缺陷出现,磨耗表面比较平整。橡胶的摩擦磨损是一个非常复杂的动态过程,其磨损破坏的程度涉及材料的强度、耐热性、抗裂纹性、耐疲劳性等综合性能。在橡胶基体中添加改性后的OMMT,由于蒙脱土片层具有特殊的片层结构及相容性,使橡胶/OMMT纳米复合材料具有良好的耐磨性能,且可能具有特殊的耐磨机理。通过SEM对橡胶磨损后的表观形貌进行分析研究,初步探讨OMMT在橡胶中的耐磨机理。首先,OMMT为无机填料,添加在橡胶基体中,比纯胶体系更加耐磨。OMMT片层作为刚性片层,在摩擦的过程中降低了材料间的摩擦系数。其次,OMMT片层以剥离或插层的状态均匀分散在橡胶基体中,参与了硫化反应,提高了交联密度,形成了更多的结合胶,在磨损的过程中阻碍橡胶分子链的运动,产生更少的滞后损失,使产生的热量更少。发挥橡胶分子链的良好弹性和蒙脱土片层的耐磨特性,协同效应也提高了复合材料的耐磨性能。另外,在阿克隆磨耗的过程中,主要以卷曲磨耗和疲劳磨耗为主,加入OMMT后,显著地提高了橡胶材料的拉伸强度、撕裂强度和硬度,提高了其耐磨损的能力,再加上蒙脱土片层均匀地分散在橡胶基体中,把橡胶分子链隔离开来,在橡胶分子链被剥落时由于蒙脱土片层的阻碍作用而需要更大的强力才能断裂,且在断裂的过程中对附近的分子链影响不大,不会以丝带状·47·弹性体第22卷从橡胶基体中抽出,降低了发生卷曲磨耗和粘附磨耗的趋势,因而出现的沙拉马赫图纹变得更细密,图纹间距变小,从而显著地提高了橡胶材料的耐磨性能。3结论采用机械混炼法制备了NR/OMMT纳米复合材料,实现了无机片层在橡胶基体中的纳米级分散,制备出分散均匀的剥离型NR/OMMT纳米复合材料。OMMT能有效提高NR的力学性能与耐磨性能,其中以2#OMMT效果最佳,阿克隆磨耗体积降低了59%,表现出良好的耐磨性能,增加了使用寿命,从而降低了使用成本。参考文献:[1]王贵一.橡胶的摩擦及实验[J].特种橡胶制品,2000,21(3:55~62.[2]ZhangSW.Mechanismsofrubberabrasioninunsteadystate[J].RubberChemTechnol,1984,57(4:755~768.[3]EttlesCMM,ShenJH.Theinfluenceoffrictionalheatingontheslidingfrictionofelastomersandpolymers[J].Rub-berChemTechnol,1988,61(1:119~136.[4]AhagonA,KirinoY.Mechanochemicalreactionsinblack-filledSBRvulcanizatesunderlargedeformation[J].RubberChemTechnol,2007,80(2:265~278.[5]NRattanasom,OChaikumpollert.Crackgrowthandabra-sionresistanceofcarbonblack-filledpurifiednaturalrubbervulcanizates[J].JApplPol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用量对SBR/SMMB复合材料力学性能的影响表1是SMMB的用量对SBR/SMMB复合材料力学性能的影响以及与20phr原淀粉填充SBR复合材料的力学性能的比较。从表1可以看出,与未接枝的淀粉相比,淀粉经过接枝改性以后,复合材料的综合性能有较大的提高。改性淀粉的加入致使SBR/SMMB复合材料的性能有较大的改善。这是由于未改性淀粉的粒径较大,而且未改性淀粉的极性与SBR的极性相差较大,导致与SBR基体的相容性很差,所以对复合材料的力学性能改善不大。而接枝改性淀粉SMMB的加入使复合材料的力学性能得到很大提高,随着接枝淀粉SMMB用量的增加,SBR/SMMB复合材料的拉伸强度、300%的定伸应力和撕裂强度均出现先升高后降低的规律,当SMMB用量为40phr时拉伸强度和撕裂强度达到最大,分别为18.56MPa和32.12kN/m,而300%的定伸应力在SMMB用量为30phr时达到最大;永久变形和硬度随着SMMB用量的增加基本上保持不变;而扯断伸长率随着SMMB用量的增加而增大,当SMMB用量为60phr时扯断伸长率最大,为730%。这说明淀粉经过接枝改性以后与SBR基体的相容性得到很大的改善,增加了SBR与SMMB之间的相互作用,使SBR/SMMB复合材料的力学性能得到提高。表1SMMB的用量对SBR/SMMB复合材料力学性能的影响SMMB添加量/phr拉伸强度/MPa300%定伸应力/MPa扯断伸长率/%永久形变/%撕裂强度/(kNm-1邵A硬度2.3SBR/SMMB复合材料混炼胶的硫化性能图3是SBR、SBR/Starch及SBR/SMMB复合材料混炼胶的恒温硫化特性曲线,表2为相关硫化特征参数。由图3及表2可以看出,与纯SBR以及加入未改性淀粉填充的SBR/Starch复合材料相比,加入接枝改性淀粉SMMB以后的SBR/SMMB复合材料具有较高的扭矩和较快的硫化速率,焦烧时间T10和硫化时间T90总体呈缩短趋势,扭矩很快达到平衡,其最大扭矩比纯SBR提高100%以上。时间/s淀粉与SMMB用量均为20phr图3SBR/Starch复合材料混炼胶的恒温硫化特性曲线表2SBR/Starch复合材料混炼胶的恒温硫化特征参数试样Ts1/minTs2/minT10/minT90/minML/(dNmMH/(dNmMH-ML/(dNm2.4SBR/SMMB复合材料的动态力学性能图4是SBR、SBR/Starch、SBR/SMMB在拉伸模式下、温度从-100#到100#、频率为3Hz时的损耗因子tan的温度扫描曲线。表3给出了相应的动态力学性能特征参数。由图4及表3可知,未改性淀粉与SBR的复合材料的Tg较纯3第5期谢东,等.接枝改性淀粉/丁苯橡胶复合材料的制备与性能研究的SBR低,而SBR/SMMB复合材料的Tg较SBR的高,这是由于淀粉在未改性时与SBR基体的界面结合较弱,淀粉与SBR之间存在较大的空隙,使得SBR分子链的活动性增大,可以更早地开始链段的运动。而淀粉经过接枝改性以后,其与SBR之间的界面结合提高,使得SBR分子链段的运动受到限制,故玻璃化温度向高温移动,而且RH的加入使得SBR的交联程度增大,链段运动受到限制,故Tg也向高温移动。而且由0#的tan值可知,淀粉接枝改性以后复合材料0#的tan值增加,这说明淀粉接枝改性以后使SBR的抗湿滑性得到改善。温度/#-39.90.2130.0762.5SBR/SMMB复合材料的形态分析(SEM图5是SBR/Starch及SBR/SMMB改性淀粉复合材料的SEM照片,其中图5(a、(b是未改性淀粉填充SBR复合材料的SEM图。由图5可知,未改性淀粉的颗粒较大,平均粒径在10~20m之间,且大部分的淀粉颗粒裸露在橡胶基体的外面,很明显这是由于未改性淀粉和橡胶之间的相容性较差造成的,这也是导致SBR/Starch复合材料力学性能下降的关键,同时淀粉颗粒表面光滑,并且保持了原淀粉的形态,从这里可以看出混炼剪切的作用非常有限,并不能使淀粉粒子细化;而粘合剂RH的加入亦不能使淀粉粒子与SBR基体间的界面结合情况得到改善。而由图5(c、(d可以看到,淀粉经过接枝改性以后其颗粒大大细化,平均粒径在1m左右,改性后的接枝淀粉SMMB实现了在SBR基体中的精细分散。相比于未改性的淀粉,改性后的淀粉SMMB与SBR基体的界面结合作用得到改善。4弹性体第20卷3结论(1以MAH和MMA、BA为接枝单体,过硫酸铵为引发剂,采用固相法成功制备了改性淀粉SMMB,并进一步制得SBR/SMMB复合材料。(2复合材料中,当SMMB的添加量为40phr时拉伸强度和撕裂强度达到最大,分别为18.56MPa和32.12kN/m,而300%的定伸应力在SMMB用量为30phr时达到最大。(3SMMB的加入使得SBR/SMMB复合材料的Tg较纯SBR升高,改性SMMB与SBR之间的界面结合提高,SBR分子链段运动受到限制。由0#的tan值可知,淀粉接枝改性以后使SBR的抗湿滑性得到改善。(4与原淀粉填充SBR相比,改性后的淀粉在SBR中的分散性以及与SBR基体的相容性都得到了较大的提高。SMMB在SBR基体中仍具有良好的分散性,且二者相容性佳。参考文献:[1]YuL,DeanK,LiL.Polymerblendsandcompositesfromrenewableresources[J].ProgressinPolymerScience,2006,(31:576~602.[2]NakamuraEM,CordiL,AlmeidaGSG,etal.StudyanddevelopmentofLDPE/starchpartiallybiodegradablecompounds[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2005,(162~163:236~241.[3]IulianaS,MariaCP,RuxandaB,etal.Enzymaticdegradationofsomenanocompositesofpoly(vinylalcoholwithstarch[J].PolymerDegradationandStability,2021,(93:1884~1890.[4]CorvasceFG,LinsterTD,ThielenG.Starchcompositereinforcedrubbercompositionandtirewithatleastonecomponentthereof[P].USP:5672639,19970930.[5]SandstromPH.Rubbercontainingstarchreinforcementandtirehavingcomponentthereof[P].USP:6391945,20010521.[6]LiuC,ShaoY,JiaDM.Chemicallymodifiedstarchreinforcednaturalrubbercomposites[J].Polymer,2021,49(8:2176~2181.[7]刘翅,朱立新,邵艳,等.淀粉-g-BA/NR复合材料的结构和性能[J].橡胶工业,2021,55(5:281~285.[8]邵艳,刘翅,朱立新,等.淀粉-g-MMA-BA/NR复合材料的制备与性能研究[J].橡胶工业,2021,55(4:208~212.[9]齐卿,吴友平,梁桂花,等.淀粉/SBR复合材料结构和性能的研究[J].橡胶工业,2007,54(4:197~202.[10]齐卿,吴友平,田明,等.酚醛树脂对淀粉/SBR复合材料结构和性能的影响[J].特种橡胶制品,2006,27(1:1~5.[11]齐卿,吴友平,梁桂花,等.偶联剂对淀粉/丁苯橡胶复合材料性能的影响[J].合成橡胶工业,2006,29(5:351~355.[12]WuYP,JiMQ,QiQ,etal.Preparation,structure,andpropertiesofstarch/rubbercompositepreparedbycocoagulatingrubberlatexandstarchpaste[J].MacromolecularRapidCommunication,2004,25(4:565~570.[13]王才,潘则林,赵萍,等.用于橡胶的超细淀粉复合物粉末填充剂及其制备方法[P].中国专利:CN1536003,20041013.[14]古菊,贾德民,谢东.一种橡胶/改性淀粉复合材料及其制备方法[P].中国专利:CN101412826,20210422.Preparationandpropertiesofgraftmodifiedstarch/styrenebutadienerubbercompositesXIEDong1,2,GUJu1,JIADemin1(1.CollegeofMaterialsScienceandTechnology,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China;2.GuangzhouSugarcaneIndustryResearchInstitute,GuangdongKeyLaboratoryofSugarcaneImprovementandBiorefinery,Guangzhou510316,ChinaAbstract:StarchgMAH/MMA/BA(SMMB,whichwaspreparedbysolidstatereactionmethod,isthegraftcopolymerofcornstarch,maleicanhydride(MAH,methylmethacrylate(MMAandbutylacrylate(BA.SMMB/styrenebutadienerubber(SBRcompositewaspreparedbymechanicalblending.Themechanicalproperties,dynamicmechanicalpropertiesandmicromorphologywereinvestigated.TheresultsshowedthatthemechanicalpropertiesofSBR/SMMBcompositearesuperiortoStarch/SBRcompositeandvulcanizedSBR.Theglasstransitiontemperature(TgofSMS/SBRcompositeishigherthanthatofvulcanizedSBR.Themicromorphologyanalysisshowedthatthesizeofstarchparticleisdecreased,thedispersibilityofstarchisincreasedandthecompatibilitybetweenstarchandSBRisimprovedaftermodification.Keywords:starch;graftmodification;solidstatereactionmethod;styrenebutadienerubber5第5期谢东,等.接枝改性淀粉/丁苯橡胶复合材料的制备与性能研究成型加工与设备木塑复合材料挤出成型工艺及性能的研究李思远,杨伟,杨鸣波(四川大学高分子科学与工程学院,四川成都610065摘要:研究了木塑复合材料的挤出成型工艺,以及木粉用量、相容剂对材料性能的影响。结果表明:用双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机挤出成型,是一种可行的方法;并解决了加料困难、木粉用量增大时烧焦以及体系分散不均匀等问题,获得了更好的混合、塑化效果,所得木塑复合材料具有良好的加工流动性;木粉的加入对加工流动性的影响不大;木塑材料的拉伸强度随木粉用量的增加而基本保持不变。关键词:木塑复合材料;挤出成型;流动性中图分类号:TQ3251+2文献标识码:B文章编号:1005-5770(200311-0022-03随着森林资源的减少,木材供应量逐渐下降,已不能满足人们的生产生活需要;同时,塑料制品废弃物的处理也日益成为一个亟待解决的环境问题。一种新型材料木塑复合材料成为木材的理想代用品。它是利用木质纤维填料(包括木粉、秸杆、稻壳等和塑料(废旧热塑性塑料为主要原料,添加加工助剂,经过成型加工而制得的复合材料。国外在木塑复合材料方面的研究,已经取得了巨大的成就,实现了工业化生产,在人们生产生活中得到了非常广泛的应用[1]。而国内在木塑复合材料方面的研究尚处在起步阶段,工业化产品不多。国内木塑复合材料的主要成型方法是浸渍法[2~4]、浸注法[5]、模压法[6]、单螺杆挤出法[7]等;这些方法虽可以制得具有一定性能的木塑复合材料,但是难以实现连续、大量的工业化生产。本实验在单螺杆挤出木塑复合材料的基础上,初步实现了双螺杆挤出,并对成型工艺过程及材料性能进行了研究,为工业化生产奠定了一定的基础。1实验部分11原料HDPE粉料:5000s,大庆石化,MFR=18g/10min;木粉:20~80目,自制;硬脂酸、石蜡:工业级,市售;EVA:7350s,台湾塑胶公司;马来酸酐改性聚乙烯:自制。12仪器设备单螺杆挤出机:SJ-20A25,上海轻机模具厂;双螺杆挤出机:TSSJ-25,晨光化工研究院塑料机械研究所;注射机:PS40E5ASE,日精树脂工业株式会社;悬梁臂冲击实验机:UJ-40,河北省承德市材料实验机厂;缺口制样机:XQZ-1,承德市金建检测仪器制造厂;万能实验机:RGT-10,深圳市瑞格尔仪器;HAAKE转矩流变仪:SYSTEM40,美国HaakeBuchler公司;高速混合机:GH-10D。13工艺流程木塑复合材料的工艺流程如下如下:14性能测试拉伸性能:按GB/T1040-1992在室温下进行测试,拉伸速度为50mm/min;冲击性能:试样缺口半径为2mm,制得的试样经过24h的时效处理后,按GB/T1043-1993进行测试;加工流变性能:在HAAKE转矩流变仪上进行测试,温度180,转子转速30r/min,加料量40g。2结果与讨论21木塑复合材料挤出成型工艺的选择211单螺杆挤出成型单螺杆挤出过程中,由于单螺杆挤出机的输送作用主要是靠摩擦,使粉状物料加料困难;且单螺杆挤出机排气效果较差,物料在料筒中停留时间较长。所以,在挤出过程中,木粉用量较大时,挤出物颜色变深,有木粉烧焦的味道;且熔体强度随木粉用量增加迅速降低,当木粉用量到150份后,难于进行挤出。相对于HDPE,LDPE的熔体粘度较低,加工流动性更好。因此以粉料LDPE为基体树脂,添加100份木粉以及少量其它助剂,在单螺杆挤出机中挤出成22塑料工业CHINAPLASTICSINDUSTRY第31卷第11期2003年11月通讯联系人yang@scueducn作者简介:李思远,男,1978年生,硕士研究生,研究方向为木塑复合材料的结构和性能。型并切成粒料作为母料;再与HDPE粒料简单混合后,在单螺杆挤出机上塑化熔融挤出,挤出过程中,熔体强度较高,能够实现连续挤出。212双螺杆挤出成型采用HDPE粉料作为木塑复合材料的基体树脂。鉴于木塑复合材料已在单螺杆挤出机上成功挤出,首先选择木粉用量分别为30份和50份的体系在未加任何助剂的情况下用双螺杆挤出机挤出。木粉以20目筛子过筛后,在100下干燥处理;再与HDPE粉在室温下混合5min。结果表明,木粉用量为30份时可以顺利挤出,木粉在体系中分散较好,没有发生木粉烧焦的问题;但木粉用量为50份时,挤出物颜色发黑,部分木粉被烧焦。这可能是由于双螺杆挤出机中两螺杆互相啮合,剪切作用强,且配方中无润滑体系,因此木粉用量增大时,出现部分木粉烧焦的现象。在体系中加入润滑剂和相容剂后,挤出物表观明显改善,木粉用量大于50份,未出现木粉烧焦、挤出物变黑的情况,熔体强度也有一定程度的提高,能够实现顺利挤出切粒;但木粉用量高达100份时,在现有的润滑剂和相容剂用量下,熔体流动性明显变差,挤出困难,木粉有烧焦变黑的现象。双螺杆挤出机依靠正位移原理输送物料,没有压力回流,加料容易;排气效果好,能够充分地排除木粉中的可挥发成分;螺杆互相啮合,强烈的剪切作用使物料的混合、塑化效果更好。木粉用量相对较低时,物料在双螺杆中停留时间短,不会出现木粉烧焦。因此,在使用粉料生产木塑复合材料时,采用双螺杆挤出机的加料、混合效果良好,是切实可行的。22木粉用量对木塑复合材料性能的影响221木粉用量对木塑复合材料的力学性能的影响表1木粉用量对单螺杆挤出木塑复合材料力学性能的影响Tab1Effectofwoodflourcontentonmechanicalpropertiesofextrudedcompositesbysinglescrewextruder木粉用量/份拉伸强度/MPa弹性模量/MPa断裂伸长率/%冲击强度/kJm-2025077500531562134301826923624624845016398822307419表1是使用单螺杆挤出机成型时,以LDPE粉料和木粉制成的母料后与HDPE熔融共混制成的木塑复合材料的力学性能。由表1可以看出,木粉的加入,使复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度迅速降低,拉伸强度的下降趋势较小,而断裂伸长率和冲击强度的下降幅度很大;但随着木粉用量进一步的增加,下降趋势变缓;复合材料的弹性模量随着木粉用量的增加先增大后降低。图1木粉用量对木塑复合材料拉伸强度和弹性模量的影响Fig1Effectofwoodflourcontentontensilestrengthandelasticmodulusofcomposite图2木粉用量对木塑复合材料冲击强度和断裂伸长率的影响Fig2Effectofwoodflourcontentonimpactstrengthandelongationatbreakofcomposite图1、2为木粉用量对双螺杆挤出木塑复合材料力学性能的影响。由图1可以看出,随着木粉用量的增加,复合材料的拉伸强度变化不大,弹性模量则随木粉用量的增加而增大。由图2可看出,材料的冲击强度、断裂伸长率随木粉用量增加而迅速下降;到木粉用量为30份后,下降趋势减弱,不再发生明显变化。在直接使用木粉作为填料填充聚烯烃塑料时,所制成的复合材料的拉伸强度和冲击强度都会显著降低,这是因为亲水的木粉与疏水的热塑性材料的界面之间不能很好的结合的缘故;此外,由于木材纤维填料具有较多的分子内氢键存在,在进行加热混合时,不容易打散,使其不能在塑料基体中均匀分散,从而影响复合材料的性能[7]。在使用单螺杆挤出机或压制等其它方法制备木塑复合材料时,当木粉用量50份以上后,材料的拉伸强度会明显降低;而本次实验发现,拉伸强度基本不变化。其原因可能是:一方面,树脂为粉料,更加容易与木粉混合均匀,在挤出造粒和注塑样条时,保证了填料分散的均匀性;另一方23第31卷第11期李思远等:木塑复合材料挤出成型工艺及性能的研究面,双螺杆挤出机塑化效果更好,剪切作用更强,木粉更容易被打散,分散效果更好。但是,木粉的加入改变了树脂基体的连续性,不利于能量的传递和扩散,使得韧性下降。图3木塑复合材料转矩随时间变化的曲线Fig3Torqueofdifferentcontentofwoodflourvstime222木粉用量对木塑复合材料流变性能的影响由于物料的成型一般都是在熔融流动状态下进行的,所以要求被加工的物料具有适当的流动性。流动性过小,不利于充模,造成挤出困难;流动性过大,不能形成足够的挤出压力,造成制品的强度缺陷,也不利于物料在挤出口模时的制品定型。木粉的加入一般会使材料的流动性能变差;材料的流动性太差,木粉将受到较大的剪切作用力,且增加在挤出机中停留的时间,使木粉容易烧焦。而且,在挤出成型过程中,体系的流变特性对加工过程和最终制品的各种性能都有较大影响。毛细管流变仪的研究表明,木塑复合体系属于假塑性流体[8]。同毛细管流变仪相比,转矩流变仪中流变性能的测试过程更类似于实际的加工过程;因此本实验采用转矩流变仪研究木粉用量对木塑复合体系流变性能的影响。图3为其中5个配方在转矩流变仪上转矩随时间的变化曲线,从图3可以看出,处于室温的物料加入塑化室后,被压缩于转子四周,而混炼器需要经过一段时间才能使物料熔化,这造成转子转动困难,需要一个较大的转矩才能使转子转动起来;开始塑化过程,从而出现一个加料峰[9]。经过一段时间后,物料的温度受传热和剪切的作用也趋于平衡,但这几个样的平衡扭矩略有不同。平衡转矩反映了加工条件下物料表观粘度的大小,间接的反映了物料的流动性能;该值越低,表明流动性越好。物料在混合器中受到剪切、混炼作用,其工作能量的高低是材料加工性能的直接反映,可以用热稳定性测试曲线下的积分面积表征整个加工过程的能耗。表2中列出了试样的流变性能特征参数。表2木粉用量对木塑复合材料流变性能的影响Tab2Effectofwoodflourcontentonrheologicalpropertyofcomposite木粉用量/份最大转矩/Nm平衡转矩/Nm加工能耗E0422593397310326381381820281887584330-858-4024595887050308810371018表2是木粉用量对双螺杆挤出的木塑复合材料流变性能的影响。从表2可以看出,在加入10~30份木粉后,转矩值不仅没有升高,反而有一定下降;木粉用量增加到40份以后,转矩值才随着木粉用量增加而升高。加工能耗的变化与平衡转矩所反映的现象基本吻合。在挤出实验及注塑样条时也可以看出,木塑复合材料的流动性变化不是很大,具有良好的成型加工性。3结论1用双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机挤出成型,塑化效果更好,剪切作用更强,木粉更容易被打散,分散效果更好,是一种可行的方法,解决了加料困难、木粉用量增大时烧焦以及体系分散不均匀等问题。2树脂为粉料时和木粉混合更容易,随木粉用量的增加,木塑复合材料的拉伸强度基本保持不变,弹性模量先增加后下降,而韧性有一定的下降。3木塑材料具有良好的加工流动性,木粉的用量对加工流动性的影响不是很突出,在木粉用量低于40份时,还出现流动性更好的现象。参考文献1涂平淘化学建材,2001,(7:102唐辉,徐兴伟中国塑料,1999,13(7:633任重远,李邦复合材料学报,1994,11(3:74岳翠银林业科技,1999,24(4:405陈文达,周亚光中国木材,1993,(5:256杨庆贤复合材料学报,1994,11(4:97秦特夫世界林业研究,1998,3:468薛平,张明珠,何亚东等中国塑料,2001,15(8:539杨伟,杨鸣波,于庆顺等中国塑料,2001,15(10:4310李忠明,杨鸣波,冯建民等塑料工业,2000,28(4:9(本文于2003-07-24收到(下转第32页模后变形很小;同时由于内应力很小,在使用时,经过波峰焊炉后的二次塑变能控制在满意的范围内。22入水口设计对产品变形的影响对于玻璃纤维增强的工程塑料,其注塑时的流动方向将影响其纤维的排列方向,在顺纤维方向上冷却变形较小,而在垂直于纤维方向上冷却变形则大很多。在开始的设计中,采用了常用的点浇口,由于纤维是发散分布,在冷却过程中,产生较大的变形且很难控制;经分析后将其改为侧浇口,加大入水面积,使纤维分布向一个方向,从而减小扭曲变形;再通过调整模具尺寸,补偿垂直于纤维方向上的收缩变形。23注塑速度对产品变形的影响图3模块电源焊装于PCB板上示意图Fig3PowermoduleonPCB在选定了冷模注塑方式进行注塑后,注塑速度对产品变形的影响也是不可忽视的。由于在塑料进入模具的过程中,冷却也在进行中;如果注塑时间长,将造成成型过程中产品的温差加大,从而产生不均匀收缩的现象,使得产品变形增加。针对这个问题,我们采取了增加入水口面积,同时在模具上增加排气的措施,以提高注塑的速度。通过改进模具,将点浇口改为侧浇口并加大入水面积(如图2、4所示,并增加模具的排气量,产品经过波峰焊炉的二次高温(190后,依然保持平整,达到了满意的效果。图4侧浇口成型的电源盖板示意图Fig4Fangate3结论在使用结晶性耐高温玻纤增强热塑性工程塑料时,尽量不将产品设计成较大平面的薄壁形状;如必须采用这样的形状,需在模具设计时考虑选择较大的入水口,多加排气孔,在注塑时应采用冷模快速注塑成型,以尽量减少内应力,使其在一次注塑后冷却过程中不产生变形,而在高温使用条件下又不出现较大的二次扭曲变形。参考文献1罗河胜塑料材料手册广州:广东科技出版社,198832丁闻实用塑料成型模具设计手册注射模、压缩模和压注模西安:西安交通大学出版社,1993123村上宗雄最新塑料模具手册注塑成型模具设计、加工、处理、应用实例王旭,黄伟民上海:上海科学技术文献出版社,198511(本文于2003-08-05收到StudyofMouldingTechnologyforShellofPowerModuleLIYi,DOUAn-ping(CollegeofMachineryandElectronics,SuzhouUniversity,Suzhou215006,ChinaAbstract:ThereasonfortheseriouswarpageofPBTpowermoduleat190ofwaveweldingovenwasstudiedBasedontheanalysisofthereason,moldingtechnologyandplasticsperformance,methodstopreventthemodulefromwarpageareobtainedKeywords:PBT;PowerModule;InjectionMoldingTechnology;Mould(上接第24页ResearchonExtrusionProcessingandPropertyofWood-plasticsCompositeLIS-iyuan,YANGWei,YANGMing-bo(CollegeofPolymerMaterialsSciandEng,SichuanUniversity,Chengdu610065,ChinaAbstract:Theprocessingroutines,theeffectsofthewood-flourcontentandcompatibilizeronthepropertiesofthewood-plasticscomposites(WPCwerestudiedTheresultsindicatedthattheextrusionviatwin-screwextruderinplaceofsin-glescrewextruderwasafeasibleroutine,whichprovidedbetterfeedingability,mixingandplastication,andpreventedthecharringofwoodflourwhenthecontentwasrelativelyhighThetensilestrengthofWPCobtainedwasalmostunchangedandwithinthewoodflourcontentstudied,thematerialsexhibited