复合材料的界面性能与优化分析

工 程 塑 料 应 用ENGINEERING PLASTICS APPLICATION第48卷，第2期2020年2月Vol.48，No.2Feb. 202039

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2020.02.008

PLA木塑复合材料性能研究及界面处理分析

张薇，路琴，刘思思，赵泊祺(南京农业大学工学院，南京　210031)

摘要：以稻壳、竹粉、杨木粉作为聚乳酸(PLA)的增强材料，添加硅烷偶联剂进行界面处理，采用模压成型的方法制备PLA木塑复合材料，研究了纤维的种类与含量以及偶联剂对PLA木塑复合材料力学性能和吸水性能的影响，并采用体式显微镜对其形貌和结构进行了表征。结果表明，杨木粉对PLA复合材料的增强效果最好；杨木粉、稻壳、竹粉质量分数为30%时，PLA木塑复合材料的拉伸强度最大，分别为16.26，11.27，14.17 MPa，杨木粉质量分数为30%时PLA木塑复合材料的冲击强度最大，为4.44 kJ／m2，随着复合材料中木粉含量的增加，其吸水率呈上升趋势；添加硅烷偶联剂改性使PLA／竹粉复合材料的拉伸强度最大提高了119.74%，冲击强度最大提高了86.52%，改性后的木塑复合材料各组分较为均匀、空洞和缺陷较少。关键词：植物纤维；聚乳酸；木塑复合材料；性能；偶联剂中图分类号：TQ325.3 文献标识码：A 文章编号：1001-3539(2020)02-0039-05

Performance Research and Interface Treatment Analysis of PLA Wood-Plastic Composites

Zhang Wei， Lu Qin， Liu Sisi， Zhao Boqi(College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing 210031， China)Abstract：Rice husk，bamboo powder and poplar powder were used as reinforcing materials for polylactic acid (PLA) poly-mer，interfacial treatment was carried out by adding silane KH550，PLA wood-plastic composites were prepared by compression molding. The type and content of fiber and the effect of coupling agent on mechanical properties and water absorption properties of PLA wood-plastic composites were studied， its morphology and structure were characterized with stereo microscope. The results show that poplar powder has the best effect on PLA wood-plastic composites；the tensile strength of poplar powder，rice husk and bamboo powder is 30%(mass fraction，the same below)，which are 16.26 MPa and 11.27 MPa，14.17 MPa，respectively. The im-pact strength is the highest when the content of poplar powder is 30%，which is 4.44 kJ／m2. With the increase of wood powder con-tent in the composite material，the water absorption rate increases. Adding silane coupling agent to modify the PLA／bamboo powder composite， the tensile strength and the impact strength of modified composites increase by 119.74% and 86.52% respectively， which are more uniform，with fewer voids and defects.Keywords：plant fiber；polylactic acid；wood plastic composite；property；coupling agent

科技专论　木塑复合材料界面改性工艺及性能研究　陈泽宇张琦　东北林业大学黑龙江哈尔滨１　５００４０　【摘要ｌ木塑复合材料是一种用途广泛的新型材料，由聚合物基体和　木纤维（木粉、竹粉、稻壳、秸秆等）按一定此例加工而成。作为一种高性　能、高附加值、绿色环保的新型材料，木塑复合材料成为近年来的研究热　点。本文就木塑符合材料的界面改性工艺及性能进行了综述，并对木塑复　合材料界面改性的发展前景发表了自己的看法。　【关键词ｌ木塑　舍材料；界面陡｝生；工艺；性能　１．前言　木塑复合材料又被称作生物质一塑料复合材料，顾名思义，是生物　质和塑料通过复合的方式形成的具有新性能的材料。木塑复合材料综　合性能非常好，力学强度和抗冲击强度更高。与塑料相比，热伸缩性较　低，与木材相比，耐水和耐潮湿性能更加优秀，并且在许多性能上具备　了木材和塑料的双重加工性能。木塑复合材料的界面改性一般有两种　渠道，改性木纤维或添加界面改性剂。本文就木塑符合材料的界面改　性工艺及性能进行了综述，并对木塑符合材料界面改性的发展进行了合　理展望。　２．木蟹复合材料界面改性研究进展　２．１添加相容剂界面改性　相容剂分子是一类双亲分子，无论是非极性的聚烯烃高聚物，还是　极性木质原料分子，都能够很好的相容。通常，相容剂分子与极性分子　能够形成偶极一偶极作用力或者氢键等，从而提高二者之间的结合力。　添加相容剂界面改性有利于对于提高木质纤维在聚烯烃树脂中的分散　性有很大的帮助，能够有效的改善两相界面状态，降低界面能，提高界　面强度，从而对木塑复合材料的力学性能有很好的改善。一般常用的相　容剂有丙烯腈—丁二烯一苯乙烯树脂、乙烯一丙烯酸酯树脂和马来酸酐接　枝聚烯烃等。王宝云等人利用马来酸酐接枝聚乙烯、氯化聚乙烯以及聚　丙烯酸酯作为改性剂，对ＰＶＣ／ＰＥ共混体系以及其木塑符合材料的基本　性能进行了讨论，结果表明材料的综合性能得到大幅度的提高，其中聚　丙烯酸酯能够使复合材料储能模量增大。　２．２添加偶联剂界面改性　偶联剂是一种能够改善材料界面性能的一种塑料添加剂。通常偶　联剂由两部分构成，一部分具有与植物纤维反应形成化学键，降低纤维　表面的羟基数量和极性的性能，另一部分具有与基体产生化学反应形　成氢键，令植物纤维和基体树脂牢固的偶联的性能。偶联剂在改善植物　纤维和聚合物间的界面作用上效果显著。常见的偶联剂有硅烷偶联剂、　钛酸酯偶联剂、异氰酸酯偶联剂等。宋永明等人利用六种不同的硅烷偶　联剂对木粉进行的处理，深入研究生其对ＷＰＣ的微观形貌及力学性能　的影响，取得了一定的研究成果。结果表明，六种偶联剂都能够有效的　提高ＷＰＣ的性能，其中硅烷Ａ一１７１效果更好，非常值得进一步研究和推　广ａ　２．３表面活性剂界面改性　表面活性剂具有改变物质表面性能的作用。通过降低植物纤维和　聚合物基体的表面活性，能够很好的促进二者的结合。常见的表面活　性剂有硬脂酸、油酸、十一烯碳酸等。表面活性剂分子具有特殊的两性　结构，其疏水烷基链能与聚烯烃分子相容，而另一端的亲水羧基，能够　与植物纤维表面的羟基反应生成酯键进行结合，这样就对植物纤维表　面进行　全面覆盖，从而提高了其在聚合物基体中的分散性能。除此之　外，表面活性剂还能够起到一定的润滑作用，从而降低了熔体的黏度，　提高了复合材料的加工性能，使得加工过程更加平稳。　２．４碱处理法界面改性　碱处理法是一种传统的纤维处理方法，在天然纤维的表面处理方　面有很广泛的应用。一般碱处理法中常选用低浓度的氢氧化钠作为碱　处理剂。通过将木质填料进行碱化处理，能够有效的去除木质填充物　表面的杂志，从而形成较为粗糙的形貌。另外，碱处理之后还能够有效　的去除植物纤维中部分果胶、木质素、半纤维素等强度较低的组分，从　而使得植物纤维形成许多空腔，有利于树脂基体形成互锁结构，有效的　提高了纤维素的拉伸强度。除此之外，氢氧化钠与纤维中部分羟基反应　后，能够有效的改善纤维的极性和吸７ｋ．￣Ｅ。　２．５酯化处理界面改性　酯化处理对木塑复合材料进行界面改性也比较常见。常用的酯化　处理剂有乙酸、邻苯二甲酸酐、马来酸酐等等。经过酯化之后的纤维素、　半纤维素等的表面会形成具有弱极性的酯键，从而在很大程度上降低　了植物纤维的极性，改善了其余塑料基体的相容性能。酯化处理后的材　料具有很好的冲击韧性，同时酯化处理还能够提高材料的拉伸和弯曲　强度。周箭等人通过利用聚葵二酸千和聚壬二酸酐对聚乙烯／木粉复合　材料进行了界面改性，并且对其界面性质进行了研究，结果表明聚壬二　酸酐效果比聚葵二酸干更为明显，改性后拉伸和冲击强度都有了非常显　著的提高。　３．展望　木塑复合材料是我国“十二五”规划中提出要大力支持的新兴环保　材料，不仅生产成本不高，还能够回收利用，因此必将代替那些对环境　有很大危害的材料。在今后的研究中，将有以下研究方向：１）开发新型　相容剂或偶联剂等添加剂，为改善木塑符合材料界面性能提供更多更　好的选择。２）制备纳米级木质材料，之后再与高聚物进行复合，从而制　备纳米性木塑复合材料，研发更多的性能。３）采用非极性的易与塑料高　聚物相容的增强基制备复合材料；４）采用纤维或织物等连接性较完整　的物质增强树脂制备复合材料。　相信随着科学技术的进一步发展，新型的高性能木塑复合材料将　会不断的进入市场当中，创造更高的经济价值和社会价值。　

第２６卷　第６期　２００６年１２月　航空材料学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＥＲＯＮＡＵＴＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ　Ｖｏ１．２６，Ｎｏ．６　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２００６　

ＳｉＣ／Ｔｉ．１５３复合材料界面与性能研究　

蔡　杉，李占一，董　妍，颜鸣皋　（北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京１０００９５）　摘要：对带（Ｂ４Ｃ＋ｃ）涂层的ＳｉＣ纤维增强Ｔｉ．１５３复合材料的界面反应进行热力学分析，并对界面反应层做能谱成　分分析及Ｘ．射线衍射结构分析。结果表明，界面反应层为ＴｉＣ，ＴｉＢ：和ＴｉＢ相的组合物。采用不同的热压工艺制备　复合材料并分别进行拉伸实验及扫面电镜观察，从而得出不同界面结合状态与拉伸性能之间的关系。对经不同时　间的热处理具有不同界面反应层厚度的复合材料进行拉伸实验，结果表明，随着反应层厚度的增加复合材料性能　下降。　关键词：ＳｉＣ／Ｔｉ复合材料；界面反应；拉伸性能　中图分类号：ＴＢ３３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—５０５３（２００６）０６－００５５－０５　界面是复合材料极为重要的微结构，界面状态　对复合材料的性能具有重大影响。ＳｉＣ／Ｔｉ复合材料　在热力学上是非平衡体系，在高温制备及使用过程　中基体和增强体之间会发生界面反应并在界面处形　成新的化合物。本工作主要对ＳｉＣ／Ｔｉ一１５３复合材料　的界面及拉伸性能进行研究，并对二者之间的关系　进行探讨。　１　实验方案与材料　

实验采用的增强纤维为北京航空材料研究院采　用ＣＶＤ工艺自制的带Ｃ＋Ｂ　Ｃ涂层ＳｉＣ纤维，纤维　平均抗拉强度约３５００ＭＰａ，直径１００ｍｍ。基体材料　采用Ｔｉ一１５３（Ｔｉ一１５Ｖ一３Ｃｒ－３ＡＩ一３Ｓｎ）合金。复合材料　制备采用箔压法真空热压扩散结合工艺。　首先对ＳｉＣ／Ｔｉ复合材料的界面反应进行热力　学分析，得出可能的界面反应产物，并对界面反应层　做能谱成分分析及ｘ一射线衍射结构分析进行验证。　采用不同的热压工艺制备复合材料并分别进行拉伸　实验，从而得出不同界面结合状态与拉伸强度之间　的关系。对相同热压工艺下制备的复合材料进行不　同时间的热处理，在扫描电镜下估算界面反应层厚　度，从而可得出界面反应层厚度与反应时间及拉伸　强度的关系。　

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黄大千　童　华

(武汉大学测试中心　武汉　430072)

摘要

用透射电镜、扫描电镜、X射线能谱仪和电子探针研究了碳化硅颗粒(SiCp)增强Al2014复合材料的微观结构和界面。鉴定了界面上和基体中三种主要的沉淀相:CuAl2、Cu2Mg8Si6Al5、(Mn,Fe)3SiAl12和高温下形成的条状Al4C3。试验指出,碳化硅和基体间的界面上没有Si和Al的相互扩散,并观察分析了SiCp󰃗Al2014界面周围的无析出带和高密度位错。关键词:透射电镜,复合材料,界面。

金属基复合材料与基体合金比较,具有明显高的强度和模量,近十多年来成为材料科学十

分活跃的研究领域[1～6]。特别是用碳化硅颗粒为增强相,铝合金为基体的金属基复合材料,它

以较为低廉的价格、良好的加工和使用性能得到了更快的发展和广泛的应用。复合材料中,增

强相与基体之间的界面强烈地影响着材料的物理性能和机械性能[2～3]。人们希望得到最佳的

界面,以获得复合材料的最佳性能。因此,研究界面特性和发展获得最佳性能而控制界面的工

艺技术很重要。所以,在研究复合材料微观结构时,更注重于界面研究[4～6]。然而,每一种微观

分析方法都有它的局限性,常常需要多种分析技术的配合研究。对此,本实验利用透射电镜、扫

描电镜、X射线能谱仪和电子探针对SiCp󰃗Al2014的界面行为进行了研究。

1实验部分

实验使用含20%(体积)SiCp增强的Al2014复合材料,基体成分(质量分数)为:4.4%

Cu、0.8%Si、0.8%Mn、0.5%Mg、Al为余量。材料经铸造和轧制,T6热处理,固溶处理为

415℃、20min(部分固溶)和415℃、200min(完全固溶)。透射电镜样品经切割、机械抛磨和离子减薄而制成。扫描电镜样品抛光后用Kellerθs试剂腐蚀。