聚丙烯的加工和表征Biocomposite复合马来和丙烯酸酯增容剂

文摘

聚丙烯(PP) biocomposites包含20 wt。%向日葵船体作为颗粒强化复合和测试下拉伸,弯曲和冲击载荷。向日葵船体没有增容剂的掺入导致抗拉强度和冲击能量吸收减少,但增加弯曲强度和拉伸模量和弯曲模量相比,整洁的页包含三种不同化学增容剂配方进行了测试,以确定它们的有效性提高纤维之间的界面粘附表面和PP链。马来酸酐接枝聚丙烯(MA-g-PP)取得了更大的改善抗拉强度但减少冲击强度相比,一个acrylic-acid-grafted PP增容剂(AA-g-PP)。分子量、贪污水平、能力影响强度、模量、吸收冲击能量也调查了增容剂。MA-g-PP有高分子量和低腐败水平最有效的改善调查一个向日葵hull-reinforced聚丙烯biocomposite的属性。

1。介绍

天然纤维利用增援在聚合物矩阵产生biocomposites看到直接应用在不同行业1- - - - - -3]。替代玻璃纤维、木质纤维素的长纤维如麻、亚麻、黄麻,剑麻,和棉花能够维护组件的最终cost-to-performance和weight-to-performance比率,常常通过改进特定的机械性能(2]。提高声音和振动阻尼和潜在end-of-service-life将木质纤维素的降解性是额外的福利实现长纤维的合成纤维(2]。

木质纤维素的纤维适合使用热固性树脂,但遇到挑战在热塑性聚合物复合,因为它们的大小和高粘度树脂的润湿性。此外,许多这些纤维都无法获得丰富的在美国,因此,必须进口(3]。加工性能这两个挑战:(a)和(b)可用性的供应,造成particulate-type的必要性,更容易获得增援商品热塑性塑料。引入微粒木质纤维素的纤维已经成为一种方法来解决这些挑战。木质纤维素的纤维增加的灵活性选择商品biocomposites尺寸减少的灵活性,例如,木粉。

因为这些天然填充物的可用性和质量容易波动源,biocomposites权证的可持续生产新型填料的调查。一个这样的颗粒填料、向日葵船体(SFH),已被证明是有益的,当纳入商品聚合物(4- - - - - -6)如聚丙烯(PP)和丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)。利用这样的一个农业副产物是明智的,因为它的可用性和稳定供应,因为它的价值除了一次材料,通常被焚烧或丢弃它的种子已被移除。向日葵种植,使船体投入商业热塑性塑料是一个有吸引力的激励。Biocomposite制造商也意识到经济效益,随着低成本填料现在抵消一部分散装材料。

然而,建筑行业的信心需要一个广泛的材料/财产关系分析和应对的挑战,阻碍实现商业混合。增容的有效性(耦合)代理在改善界面粘附,从而,在亲水PP力学性能和亲水性天然纤维系统如木粉是良好的2,3]。然而,理解这些增容剂的影响在SFH / PP、具有不同的组合,得到了有限的关注。目前的研究调查的影响两类化学增容剂对PP,也就是说,acrylic-acid-grafted PP和biocomposite maleic-anhydride-grafted PP力学性能。

当前的研究检测了20 wt的机械性能。% SFH / PP biocomposites。三种不同化学增容剂根据其分子量和接枝水平评估实现力学性能好处。除了检查向日葵船体作为微粒的功能强化,化学增容剂在改善抗拉强度的影响进行了分析。拉伸、弯曲和冲击性能测定,并与界面交互使用红外光谱特征。

2。化学增容剂

聚烯烃和木质纤维素的纤维在极性不同,这可以减少界面粘附,从而降低了有效载荷能力的纤维和聚合物链之间的转移。设计了几个策略以克服这种不同并减少表面极性通过纤维表面处理或添加化学增容剂(2,3]。使用球状的化学增容剂复合载体树脂是特别适合particulate-reinforced聚烯烃系统,因为他们可以与整洁地和复合树脂和木质纤维素的纤维。

本研究中使用的化学增容剂分子接枝到聚丙烯链。三个增容剂进行研究;两个maleic-anhydride-grafted (MA-g-PP)分子和一个acrylic-acid-grafted (AA-g-PP)分子。添加这些耦合剂的目的是建立聚合物和纤维表面之间的共价键,因此创建一个路径通过的增容荷载传递的分子。经历的应力的PP部分增容剂可以被转移在共价键强化纤维。

化学增容剂分子的有效性改善界面可以相关荷载传递(一)分子量,(b)的相对权重内容嫁接分子对聚合物链(贪污),和(c)的总体反应性接枝分子。聚合物增容剂的分子量描述它的大小和增加大小,分子的能力与更多的页链通过纠缠。增容剂的接枝分子水平表示的数量或反应网站现在的每个分子的吸引力。移植级别是由供应商提供的接枝分子的重量百分比。接枝反应的分子被描述为化学反应的分子的数量可能参与的趋势以及分子参与次级键。腐败分子的反应表明增容剂之间的共价键的形成和纤维表面。

增容剂不同的分子量,贪污水平,不同接枝分子被用于这项研究。增容剂的分子量决定使用熔体流动指数(MFI)分析。傅里叶变换红外(FTIR)光谱被用来检查羰基和羟基官能团表明形成的次级债券。红外光谱也被用来确定额外的共价键通过酯化反应的过程。

3所示。材料和实验方法

3.1。材料

3.1.1。聚合物和增容剂

基础配方中使用的页是由总石化公司、美国。随着聚丙烯3825 MFI 30克/ 10分钟(ASTM D1238、条件L, 230°C / 2.16公斤)。

本研究中使用的化学增容剂如表所示1熔体流动指数(确定实验)和移植级别(供应商)提供的值。一个MA-g-PP增容剂使用Licomont AR504,由科莱恩国际有限公司。第二个MA-g-PP Polybond 3200是由Chemtura公司。的AA-g-PP增容剂用于本研究获得Polybond 1002年,同样来自Chemtura公司。随着MA-g-PP增容剂被认为不能被测试由于nonweighted流测试条件下“L”规定的ASTM D1238,每个增容剂的熔体流动指数确定在减少温度条件(条件E, 190°C / 2.16公斤)。Licomont AR504经历非加权流量在这个温度,因此,熔体流动指数无法确定。这增容剂被认为是最低的相对分子量系统的三个增容剂用于这项研究。

3.1.2。纤维

向日葵壳获得从红河大宗商品公司,法戈、ND,美国。湿法化学分析纤维的成分是由北达科他州州立大学动物科学实验室。纤维的组成如下:44 wt。17 wt %纤维素。wt %半纤维素,5。2 wt %的蛋白质,。%粗脂肪,22 wt。%木质素。向日葵船身是地面大约一个大小为250μ米从收到基状态使用离心磨机(Retsch)配备了250μ米网。

3.2。处理

的重量分数SFH在20 wt保持不变。2 wt %,增加。%增容剂。因此,相对增容剂/纤维比率为0.10。此外,控制配方复合含有20 wt。% SFH没有增容剂。

一个Leistritz Micro-18GL / 40 d挤出机共转双螺丝用于复合纤维/聚合物。纤维/聚合物混合物在80°C干至少16 h在挤压前循环烘箱。从饲料区挤压温度计量部分是149°C, 182°C, 185°C, 189°C, 195°C, 195°C, 195°C。模具出口温度为190°C。

挤塑化合物在80°C干至少24小时之前注塑50-ton能力Technoplas SIM 5080的注塑机。欧元区从进料到计量区温度为193°C, 199°C, 204°C,和210°C,喷嘴温度为204°C。名义注射压力被用来确定从供应商的指导方针。A型拉伸测试标本塑造符合ASTM d - 638。弯曲和悬臂梁式冲击标本从塑造获得优惠券(158.8毫米×12.7毫米×3.2毫米)。标本切片根据需求在ASTM D790和月,分别为挠曲和悬臂梁式冲击。

3.3。命名法

本研究中使用的简洁的PP作为基准和n . 20 wt表示。% SFH / PP是用作控制和指示为20 wt。% SFH / PP /增容剂的成绩表示基于他们的增容剂,也就是说,AR504 P3200, P1002。

3.4。机械测试

拉伸试验是根据ASTM D638,英斯特朗5567负载使用一个框架。标本加载5毫米/分钟的速度直到断裂。弯曲测试依照程序进行了ASTM d - 790,英斯特朗5567负载使用一个框架。失败并不是达到5%以下弯曲应变,应变最大弯曲强度都是确定为5%。

影响测试执行依照ASTM月104摆锤撞击器使用Tinius奥尔森模型的影响。方法的ASTM标准月之后。为每个机械实验,一组样本的使用五个试样。所有测试标准室温条件下进行,也就是说,23°C和50%相对湿度。

3.5。傅里叶变换红外光谱学

红外光谱谱获得的衰减全反射(ATR)模式在4厘米⁻¹那些时光6700年热科学Nicolet FTIR光谱仪分辨率。32扫描每运行不仅平均捕获中吸光度650厘米之间⁻¹和4000厘米⁻¹。光谱修正了基线转移和光谱噪声。

4所示。结果与讨论

4.1。机械性能

以下4.4.1。拉伸性能

的抗拉强度值biocomposites图所示1。向日葵的包含20 wt船体纤维。% (C)导致的净减少15%,抗拉强度比n MA-g-PP增容剂被发现提高混合物的抗拉强度比纯聚丙烯,P3200显示整洁聚丙烯抗拉强度高出6%。AA-g-PP显示净减少10%相比,整洁的抗拉强度,但会以更大的强度/ C混合。在抗拉强度损失20 wt。%装载符合多个天然纤维/ PP纤维的研究涉及木粉(7- - - - - -9)、棉花(9)、纤维素粉(10),和稻壳面粉11]。

如图1,顺丁烯二酸酐增容剂提供了更大的提高抗拉强度相比丙烯酸compatibilized混合。MFI分析表明每个MA-g-PP还具有较低的分子量比AA-g-PP增容剂。通常,分子有一个相对higher-molecular-weight参与相对更多的连锁纠葛,因此导致更大的荷载传递。相反,增容分子被发现的性能更强的函数构建的行为组平均分子量的化合物。

AR504和P3200的相对性能可以解释通过考虑分子量和贪污分子水平。AR504拥有更多的潜在站点纤维因为贪污水平高于P3200吸引力。纤维和马来酸酐之间的吸引力的一部分增容剂是至关重要的;然而,有效的负载转移发生如果增容剂也纠缠的大部分页链。P3200可能达到纤维/增容剂相互作用导致荷载传递更多的由于高分子量聚合物链,甚至贪污水平较低。Arbelaiz et al。8]调查compatibilized亚麻纤维/ PP体系,发现等效加载0.1增容剂/纤维,与高分子量和低接枝马来PP水平超过其对应的抗拉强度。在相同的研究中,最优抗拉和抗弯强度被发现之间的比率0.17和0.33 (8]。邱等类似的工作。10]compatibilized纤维素粉/聚丙烯混合显示,抗拉强度降低发生以上0.16加载比例。在一项由Arbelaiz et al。8]在compatibilized木粉系统,提高抗拉强度的临界载荷比发生在0.05和0.10之间。增容剂的最佳加载是一个函数的几个方面。纤维的组成成分来源,增容剂的分子量和接枝水平以及基地的分子量PP在上述研究中是不同的。

拉伸模量的混合图所示2。在20 wt的向日葵。%导致模量增加约60%。增容剂对拉伸模量的影响明显小于它们对拉伸强度的影响,与AR504 P1002模数值显示在第一个标准偏差的控制,而P3200 C模量超过了4%。

包含一个颗粒强化模量比PP原因biocomposite的模量的增加。钢筋的数量增加带来强有力的对模量的影响,而增容剂的加入不会表现出很强的影响改变拉伸模量。一项由Danyadi et al。7)之间表现出强烈的正相关木材和拉伸模量的体积分数。在工作,六种不同的增容剂/纤维研究了载荷、和拉伸模量的变化没有显示出明显的趋势。Arbelaiz et al。8)发现改善拉伸模量低的公司(~ 0.03)增容剂/纤维载荷,但没有意识到比率增加额外的改进。在两个马来增容剂,所得到的低分子量系统提供更高的模量不断增容剂的比率/纤维载荷。

4.1.2。弯曲性能

在图所示的弯曲屈服强度值3。看到,抗弯强度增加16%是通过将向日葵船体填料。P3200达到增加强度和最大的获得额外14%的挠曲强度控制。AR504和P1002增容剂显示出类似的增加,改善了控制平均为8%。

与观察到的拉伸强度不同,将向日葵船体强化导致净收益在挠曲强度整洁PP相比,微粒增援倾向于提高热塑性塑料的抗压强度,和由于弯曲载荷压应力和拉应力作用于内部和外部材料的脸,分别包含SFH倾向于提高抗弯强度。P1002 AR504性能与证明的挠曲强度相比,n .这种行为是在拉伸性能相比,2 wt的地方。%加载P1002无法实现整洁的抗拉强度PP。改进compatibilized混合物的抗拉强度,因此,有效提高抗弯强度由于拉伸应力有经验。

Arbelaiz et al。8]报道的增容剂/纤维载荷大于0.1马来PP与相对高分子量和低功能导致弯曲屈服强度增加。类似于拉伸性能,一个关键的增容剂实现加载和额外的增容剂后的挠曲强度下降的一个关键部分MA-g-PP [8]。

在C级,向日葵壳的存在而造成的增容剂在弯曲模量增加了38%。P3200的化合物提供了最大的增益系数,大于控制约3%。

收益在弯曲模量和拉伸模量(图类似的趋势4),每个增容剂显示没有明显的改变从控制配方。在Arbelaiz et al。8),一个lower-molecular-weight马来增容剂优于高相对分子量增容剂/纤维负载比率。

4.1.3。悬臂梁式冲击特性

悬臂梁式冲击强度如图的化合物5。SFH减少导致了8%的耐冲击在整洁的年级。两个MA-g-PP增容剂实现净减少吸收能量,而AA-g-PP增容剂经历了被吸收的能量约等于C。

的夹杂物颗粒表现出排斥的大部分聚合物链导致一个有效载荷下的裂纹扩展路径的影响。的界面粘附noncompatibilized混合允许大量的翻译大部分化合物链,从而更好地消散在能量产生影响的事件。一个试样冲击功检测研究由Hristov et al。12]表明,木粉/ PP系统与一个整洁的PP、少大约25%在裂纹萌生特定的能量吸收。这项研究的另一个发现是马来增容剂的能力产生特定的总能量吸收相当于整洁马来化合物表现出最高的具体起始页。能量,他们将影响性能归因于延缓裂纹开裂的能力。然而,增容剂和纤维添加等量,导致比率高于大多数填料/增容剂比率在文献中找到。SEM显微术进行影响木粉/ PP骨折标本Oksman和克莱蒙斯(13)显示不同的界面粘附在马来地区代理。地区MA-g-PP改善附着力,骨折木颗粒紧密举行大部分矩阵,没有两种材料之间的空隙。其他地区的附着力差,纤维和基体之间的空隙被认为。

从图明显5,较强的界面结合通过MA-g-PP增容剂导致减少吸收能量的能力相比AA-g-PP创造了一个相对较弱的界面键。这种行为是一致的工作Danyadi et al。14对木粉/聚丙烯混合。在这个研究中,一个MA-g-PP增容剂与高分子量和低腐败水平优越的耐冲击相比MA-g-PP有低分子量和高贪污的水平。这一趋势是一致的在0.05和0.20增容剂/木粉的比例。金等。15)也进行了悬臂梁式冲击测试五个马来增容剂有0.1增容剂/纤维和发现马来增容剂分子量最高和最低贪污水平没有造成最大的获得吸收能量。因此,为增容剂,最低级别的分子量和移植需要提高冲击强度的最大效能。

更et al。16]提出了机制时出现不足或过度分子量或贪污水平存在增容剂。如前所述,降低分子量不会允许适当的增容剂的链缠结。相反,过度的分子量可以防止增容剂定位在纤维表面。此外,贪污偏低不允许网站的增容剂可以附着在纤维表面;而过度腐败水平可能持有增容剂接近纤维,防止卷入的聚丙烯PP。

4.2。傅里叶变换红外光谱

红外光谱图所示6和7。吸光度在1600厘米⁻¹到1800厘米⁻¹和3000厘米⁻¹到3700厘米⁻¹区域分别显示。分子的官能团的增容比较的吸光度控制配方。AR504被选中两个马来PPs的红外光谱,随着移植较高水平的增加参与酯化的概率。

在吸光度范围,AR504取得了更大的吸光度的P1002尽管腐败水平较低。这个结果可以解释为考虑的低分子量AR504系统,当腐败水平被认为是总数的百分比增容剂的分子量。

的吸光度级对应于官能团的数量,更大数量的官能团会导致更多的次级债券的形成。然而,AR504和P1002配方表现出类似的力学性能。此外,更高的属性low-graft-level P3200建议二次键没有影响增容剂的有效性。

羰基的吸收峰地区代表酯化进行了分析。Kazayawoko et al。17)提出了一个假设的模型之间的酯化马来PP和羟基位于纤维。李和Matuana提出的一个类似的模型18],描述可能的酯化acrylic-acid-grafted聚丙烯和羟基之间的纤维。这个键的形成支持增容剂来改善界面粘附的能力,作为一个共价键形成的过程中,加入增容剂对纤维表面。酯羰基峰的位置是特定于聚合物和纤维。Kazayawoko et al。17]报道了酯羰基峰在木质纤维/ PP系统1730厘米⁻¹。在金等。15),1739厘米之间的酯峰被显示⁻¹和1741厘米⁻¹。

图7显示吸光度峰值发生在约1741厘米⁻¹在所有系统。酯峰最为明显的AA-g-PP compatibilized系统。发现在这个范围内其它峰(~ 1710厘米⁻¹和~ 1650厘米⁻¹各系统)是一致的,不可能有指示性的酯官能团。支持的红外光谱谱发生酯化反应弱的调查系统,无论马来或丙烯酸酯官能团。马来PP增容剂之间的酯化和木质纤维素的纤维使用红外光谱验证了在以前的作品(18,19]。在[18),李等人发现酯化在木质纤维/聚乙烯系统compatibilized马来和丙烯酸酯聚乙烯,表明丙烯酸酯化。

5。结论

向日葵20 wt船体作为颗粒强化。%加载页导致净增加拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量。化学增容剂0.1增容剂纤维比造成了更大的提高了力学性能,包括抗拉强度的主要获得。这些改进是伴随着减少冲击能量吸收,减少进一步添加增容剂的混合。

三化学增容剂进行的性能比较分析有效性改善界面附着力。当量载荷,顺丁烯二酸酐增容剂引起更大的增加属性在一个丙烯酸增容剂有较高的分子量和接枝的水平。在两个MA-g-PP代理、高分子量和低腐败水平力学性能造成了更大的收益。共价键的形成酯键被红外光谱弱支持。

最优compatibilization可以通过确定适当的分子量和腐败之间的平衡水平compatibilized分子。增容剂与贪污水平和高分子量低,如马来P3200,可以最有效的改善界面粘附和压力转移到木质纤维素的纤维。

确认

本研究进行了资助北达科他州玉米委员会的支持。作者要感谢红河大宗商品公司。(美国ND Fargo)捐赠的材料和北达科塔州立大学试验工厂和研究专家达Haagenson技术援助。

引用

1. r . Malkapuram、诉Kumar和y辛格Negi,“最近发展天然纤维增强聚丙烯复合材料,”增强塑料和复合材料》杂志上,28卷,不。10日,1169 - 1189年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. a·k·莫汉蒂、m . Misra和l . t . Drzal“可持续Bio-Composites来自可再生资源:机遇和挑战在世界绿色材料,”聚合物和环境杂志》上,10卷,不。1 - 2,19-26,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. a·k·莫汉蒂、m . Misra和l . t . Drzal”表面修饰的天然纤维和性能导致的biocomposites:概述,“复合材料界面,8卷,不。5,313 - 343年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. g .隋w·钟,m .福,c . Ulven”性能的聚丙烯复合材料制造使用双螺杆挤压”第16届国际会议上复合材料学报》上2007年7月,京都,日本。视图:谷歌学术搜索
5. v . s . Chevali m·a·福s .霍和c a . Ulven”利用农业副产品填料和增援ABS、”SAE材料和制造的国际期刊,3卷,不。1,第229 - 221页,2010。视图:谷歌学术搜索
6. 诉Chevali和c . Ulven”效应的挤压螺杆速度biocomposite形变场特性,”国际期刊的可持续工程,5卷,不。1,38-46,2012页。视图:谷歌学术搜索
7. l . Danyadi t . Janecska z。萨博,g .伊j . Moczo b . Pukanszky,”木粉填充PP复合材料:compatibilization和附着力,”复合材料科学与技术,卷67,不。13日,2838 - 2846年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. a . Arbelaiz b·费尔南德斯j·a·拉莫斯a . Retegi r . Llano-Ponte, Mondragon公司即“亚麻短纤维束/聚丙烯复合材料力学性能的影响:影响矩阵/纤维改性、纤维含量、水吸收和回收,”复合材料科学与技术,卷65,不。10日,1582 - 1592年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. j·b·s·j . Kim月亮,g·h·金和c . s .哈,”聚丙烯/天然纤维复合材料的力学性能:比较木材纤维和棉纤维,”聚合物测试,27卷,不。7,801 - 806年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w .秋张f·t·Endo和t . Hirotsu”high-crystalline纤维素复合材料的制备、特点与聚丙烯:马来聚丙烯和纤维素含量的影响,“应用聚合物科学杂志》上,卷87,不。2、337 - 345年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. h·j·h·s·杨,h . j . Kim公园,b·j·李和t . s .黄”增容剂对稻壳粉增强聚丙烯复合材料的影响,“复合结构,卷77,不。1、45 - 55,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. v . n . Hristov r . Lach, w . Grellmann“改性聚丙烯/木纤维复合材料断裂行为的影响,“聚合物测试,23卷,不。5,581 - 589年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. k . Oksman和c·克莱蒙斯,”修改polypropylene-wood面粉影响复合材料的力学性能和形态,”应用聚合物科学杂志》上,卷67,不。9日,第1513 - 1503页,1998年。视图:谷歌学术搜索
14. l . Danyadi k·雷纳,z。萨博,g .伊j . Moczo b . Pukanszky,”木粉填充PP复合材料:附着力、变形、失败,”聚合物的先进技术,17卷,不。11 - 12,967 - 974年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. b . h . h . s . Kim Lee崔s . w . s . Kim和h . j .金”的影响类型的马来anhydride-grafted聚丙烯(MAPP) bio-flour-filled聚丙烯复合材料的界面粘合性能,”复合材料的,38卷,不。6,1473 - 1482年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. t . j .热心,r·k·斯图尔特,t·k·布朗“马来耦合剂为天然纤维复合材料,复合材料的,35卷,不。3、357 - 362年,2004页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. m . Kazayawoko j。j Balatinecz, r·t·Woodhams”漫反射傅里叶变换红外光谱的木材纤维处理马来的聚丙烯,”应用聚合物科学杂志》上,卷66,不。6,1163 - 1173年,1997页。视图:谷歌学术搜索
18. 问:李和l . m . Matuana马来的有效性和丙烯酸acid-functionalized聚烯烃HDPE-wood-flour复合材料耦合剂,”热塑性复合材料杂志》上,16卷,不。6,551 - 564年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m . Kazayawoko j。j Balatinecz, l . m . Matuana”woodfiber-polypropylene复合材料表面改性和粘附机制”,材料科学杂志,34卷,不。24日,第6199 - 6189页,1999年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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