山楂核/聚乙烯复合材料的力学性能与热性能
发布时间：2021-11-10 23:42
为了制备高强度的木塑复合材料（WPC）,本研究以山楂核为增强体、以线型低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）三种不同的聚乙烯（PE）为基体,采用注塑成型的方法制备三种WPC（HLC、HHC、HUC）。并利用电子万能力学试验机、动态热机械分析仪（DMA）、差式扫描量热仪（DSC）、同步热分析仪（STA）对三种WPC进行力学性能与热性能的表征分析。实验结果表明:山楂核/HDPE复合材料（HHC）的力学性能最好,弯曲强度可达47.24 MPa,拉伸强度可达38.44 MPa,储能模量可达2 631.2 MPa;山楂核的加入有利于PE基体的熔融稳定性与早期结晶,但是会降低PE基体的热稳定性。该研究可为制备高强度的WPC提供有益的借鉴经验。
【文章来源】：塑料科技. 2020,48(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
三种WPC的储能模量与损耗因子
图2为LLDPE、HDPE、UHMWPE三种PE基体及三种WPC(HLC、HHC、HUC)的动态力学性能对比。储能模量反映了材料黏弹性中的弹性成分，可用于表征材料刚性大小。由图2a可知，无论是基体还是WPC，其储能模量随着温度的升高整体呈现下降趋势，这是热塑性材料随温度变化的基本特征。由图2还可以看出，三种WPC的储能模量均高于其基体本身，其中HLC的储能模量高达2 193.5 MPa，提高了85%,HHC的储能模量高达2 631.2 MPa，提高了49%,HUC的储能模量高达2 508.1 MPa，提高了108%，说明作为增强体的山楂核有效增加了LLDPE、HDPE、UHMWPE的刚性，山楂核的加入起到了明显的增强作用，这主要是山楂核颗粒大大限制了PE基体分子的运动所致，这一点与静态力学性能的变化吻合。而损耗因子是损耗模量与储能模量的比值，可用于表征材料的韧性，损耗因子越大，韧性越大，脆性就越小。由图2b可知，三种基体的韧性大小为：LLDPE>HDPE>UHMWPE，这主要与其本身的性质有关。此外，山楂核的加入对材料的韧性同样产生了重要的影响，HLC的韧性小于LLDPE,HHC的韧性小于HDPE,HUC的韧性小于UHMWPE，这说明山楂核的加入不仅增加了PE基体的刚性，也大大增加了其脆性。材料的韧性主要归因于PE基体，一方面山楂核的加入意味着PE基体本身的含量减少，分子链的弹性也会降低，另一方面山楂核的加入阻碍了PE基体的分子运动，严重影响了材料的阻尼行为，这是山楂核不利于材料韧性的主要原因[28]。综合分析材料的储能模量与损耗因子，尽管山楂核的加入不利于材料的韧性，但是山楂核可以有效提高材料的刚性，其中HHC的刚性最强，储能模量高达2 631.2 MPa。图2 三种WPC的储能模量与损耗因子
图4为LLDPE、HDPE、UHMWPE、HLC、HHC、HUC以及山楂核的热重分析对比。由图4可知，LLDPE、HDPE、UHMWPE三者的热失重(TG)曲线与微分热重(DTG)曲线基本重合，且热解过程较为简单，大约在450℃开始，在500℃后趋于稳定。而山楂核由于含有大量的纤维素、半纤维素以及木质素，其热失重过程较为复杂，可分为四个阶段：第一阶段大约在100℃开始，属于干燥阶段，此阶段主要是山楂核的失水过程；第二阶段大约在100～200℃，属于预热阶段，热分析曲线基本没有发生变化；第三阶段大约在200～400℃，属于主热解阶段，在这一阶段的DTG曲线上出现了两个明显的失重峰，分别在300℃与360℃，这两个失重峰分别对应于半纤维与纤维素的热解挥发，因此在本阶段山楂核的质量损失最大；第四阶段发生在400℃以后，属于炭化阶段，这一阶段主要发生木质素的炭化并最终形成生物炭。而HLC、HHC、HUC三种WPC的热分析曲线，与LLDPE、HDPE、UHMWPE、山楂核的热分析曲线有着明显的差别，说明山楂核的加入对三种PE基体的热失重过程产生了重要的影响。HLC、HHC、HUC三种WPC开始热解的温度大约在200℃，与山楂核基本类似，要明显低于三种PE基体的450℃，这说明山楂核的加入降低了PE基体的热稳定性[30]。由图4还可以知道，HLC、HHC、HUC三种WPC的热稳定性也不相同，HUC的热稳定性最好，其次是HHC，最后是HLC。2.3 山楂核及三种WPC的微观结构分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]HDPE/木炭复合材料的制备及其拉伸性能研究[J]. 张庆法,刘建彪,姜戌雅,蔡红珍,张继兵,林晓娜. 塑料科技. 2019(01)
[2]含炭量对木炭/聚丙烯复合材料性能的影响[J]. 张庆法,蔡红珍,周亮,张继兵,易维明. 农业工程学报. 2018(23)
[3]稻壳/高密度聚乙烯复合材料与稻壳炭/高密度聚乙烯复合材料性能对比[J]. 张庆法,杨科研,蔡红珍,孔令帅,刘建彪,姜戌雅. 复合材料学报. 2018(11)
[4]木质素磺酸钙/高密度聚乙烯复合材料的力学性能[J]. 张庆法,高巧春,林晓娜,周亮,卢文玉,蔡红珍. 复合材料学报. 2019(03)
[5]木塑复合材料在绿色建筑中的应用[J]. 杨守禄,黄安香,章磊,李丹,吴义强,姬宁,张永权. 工程塑料应用. 2018(01)
[6]竹粉热处理改善竹粉/聚丙烯复合材料的防霉性能[J]. 周吓星,苏国基,陈礼辉. 农业工程学报. 2017(24)
[7]异氰酸酯功能化氧化石墨烯/热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备与性能[J]. 白静静,尹建宇,高雄. 复合材料学报. 2018(07)
[8]再生塑料在木塑复合材料中的应用研究进展[J]. 冯静,施庆珊,黄小茉. 塑料科技. 2017(10)
[9]三种植物纤维填充聚乳酸复合材料性能对比[J]. 张建,何春霞,唐辉,付菁菁,王敏. 工程塑料应用. 2016(11)
[10]纤维增强木塑复合材料研究进展[J]. 王海刚,张京发,王伟宏,王清文. 林业科学. 2016(06)
本文编号：3488173
【文章来源】：塑料科技. 2020,48(05)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
三种WPC的储能模量与损耗因子
图2为LLDPE、HDPE、UHMWPE三种PE基体及三种WPC(HLC、HHC、HUC)的动态力学性能对比。储能模量反映了材料黏弹性中的弹性成分，可用于表征材料刚性大小。由图2a可知，无论是基体还是WPC，其储能模量随着温度的升高整体呈现下降趋势，这是热塑性材料随温度变化的基本特征。由图2还可以看出，三种WPC的储能模量均高于其基体本身，其中HLC的储能模量高达2 193.5 MPa，提高了85%,HHC的储能模量高达2 631.2 MPa，提高了49%,HUC的储能模量高达2 508.1 MPa，提高了108%，说明作为增强体的山楂核有效增加了LLDPE、HDPE、UHMWPE的刚性，山楂核的加入起到了明显的增强作用，这主要是山楂核颗粒大大限制了PE基体分子的运动所致，这一点与静态力学性能的变化吻合。而损耗因子是损耗模量与储能模量的比值，可用于表征材料的韧性，损耗因子越大，韧性越大，脆性就越小。由图2b可知，三种基体的韧性大小为：LLDPE>HDPE>UHMWPE，这主要与其本身的性质有关。此外，山楂核的加入对材料的韧性同样产生了重要的影响，HLC的韧性小于LLDPE,HHC的韧性小于HDPE,HUC的韧性小于UHMWPE，这说明山楂核的加入不仅增加了PE基体的刚性，也大大增加了其脆性。材料的韧性主要归因于PE基体，一方面山楂核的加入意味着PE基体本身的含量减少，分子链的弹性也会降低，另一方面山楂核的加入阻碍了PE基体的分子运动，严重影响了材料的阻尼行为，这是山楂核不利于材料韧性的主要原因[28]。综合分析材料的储能模量与损耗因子，尽管山楂核的加入不利于材料的韧性，但是山楂核可以有效提高材料的刚性，其中HHC的刚性最强，储能模量高达2 631.2 MPa。图2 三种WPC的储能模量与损耗因子
图4为LLDPE、HDPE、UHMWPE、HLC、HHC、HUC以及山楂核的热重分析对比。由图4可知，LLDPE、HDPE、UHMWPE三者的热失重(TG)曲线与微分热重(DTG)曲线基本重合，且热解过程较为简单，大约在450℃开始，在500℃后趋于稳定。而山楂核由于含有大量的纤维素、半纤维素以及木质素，其热失重过程较为复杂，可分为四个阶段：第一阶段大约在100℃开始，属于干燥阶段，此阶段主要是山楂核的失水过程；第二阶段大约在100～200℃，属于预热阶段，热分析曲线基本没有发生变化；第三阶段大约在200～400℃，属于主热解阶段，在这一阶段的DTG曲线上出现了两个明显的失重峰，分别在300℃与360℃，这两个失重峰分别对应于半纤维与纤维素的热解挥发，因此在本阶段山楂核的质量损失最大；第四阶段发生在400℃以后，属于炭化阶段，这一阶段主要发生木质素的炭化并最终形成生物炭。而HLC、HHC、HUC三种WPC的热分析曲线，与LLDPE、HDPE、UHMWPE、山楂核的热分析曲线有着明显的差别，说明山楂核的加入对三种PE基体的热失重过程产生了重要的影响。HLC、HHC、HUC三种WPC开始热解的温度大约在200℃，与山楂核基本类似，要明显低于三种PE基体的450℃，这说明山楂核的加入降低了PE基体的热稳定性[30]。由图4还可以知道，HLC、HHC、HUC三种WPC的热稳定性也不相同，HUC的热稳定性最好，其次是HHC，最后是HLC。2.3 山楂核及三种WPC的微观结构分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]HDPE/木炭复合材料的制备及其拉伸性能研究[J]. 张庆法,刘建彪,姜戌雅,蔡红珍,张继兵,林晓娜. 塑料科技. 2019(01)
[2]含炭量对木炭/聚丙烯复合材料性能的影响[J]. 张庆法,蔡红珍,周亮,张继兵,易维明. 农业工程学报. 2018(23)
[3]稻壳/高密度聚乙烯复合材料与稻壳炭/高密度聚乙烯复合材料性能对比[J]. 张庆法,杨科研,蔡红珍,孔令帅,刘建彪,姜戌雅. 复合材料学报. 2018(11)
[4]木质素磺酸钙/高密度聚乙烯复合材料的力学性能[J]. 张庆法,高巧春,林晓娜,周亮,卢文玉,蔡红珍. 复合材料学报. 2019(03)
[5]木塑复合材料在绿色建筑中的应用[J]. 杨守禄,黄安香,章磊,李丹,吴义强,姬宁,张永权. 工程塑料应用. 2018(01)
[6]竹粉热处理改善竹粉/聚丙烯复合材料的防霉性能[J]. 周吓星,苏国基,陈礼辉. 农业工程学报. 2017(24)
[7]异氰酸酯功能化氧化石墨烯/热塑性聚氨酯弹性体复合材料的制备与性能[J]. 白静静,尹建宇,高雄. 复合材料学报. 2018(07)
[8]再生塑料在木塑复合材料中的应用研究进展[J]. 冯静,施庆珊,黄小茉. 塑料科技. 2017(10)
[9]三种植物纤维填充聚乳酸复合材料性能对比[J]. 张建,何春霞,唐辉,付菁菁,王敏. 工程塑料应用. 2016(11)
[10]纤维增强木塑复合材料研究进展[J]. 王海刚,张京发,王伟宏,王清文. 林业科学. 2016(06)
本文编号：3488173
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