等离子体处理龙舌兰纤维粉的机械和热性能及其影响基于聚乙烯复合材料

文摘

基于低密度聚乙烯(LDPE)复合材料准备龙舌兰纤维粉(法新社)涂层的使用乙烯气体等离子体聚合过程。处理和分析了原始法新社通过红外光谱,扫描电镜,水接触角表面性质的评估。聚合物复合材料是由熔体混合使用0,5、10和20 wt %的法新社和测量他们的机械和热性能。在水中分散评价证实,法新社治疗由亲水变为疏水的行为和与水接触角测试也证实了。添加处理和未经处理的法新社(200网)在20 wt %促进增加复合材料的杨氏模量的60%和32%,分别与简洁的矩阵。同时,观察低密度聚乙烯的结晶度增加处理和未经处理的法新社的添加;但是没有显著影响结晶温度在LDPE包含法新社。

1。介绍

天然纤维是合适的材料来强化合成聚合物,如热固性塑料和热塑性塑料,因为他们表现出相对高强度,高刚度、低密度(1]。这些纤维可降解和可从可再生来源和与其他合成纤维相比具有特殊的优势。多种天然纤维可在世界各地,但他们并不符合大多数聚合物,因此他们需要一个化学或物理治疗以促进与聚合物之间的界面交互矩阵。龙舌兰tequilana韦伯azul经济是一个重要的形式培养在墨西哥和是唯一的一个物种龙舌兰科适合生产龙舌兰酒。汁进行提取工艺后,纤维龙舌兰处理,他们成为一个严重的浪费问题。总湿重的龙舌兰,54%代表了龙舌兰的头,这是龙舌兰酒的原料生产;其余的不使用湿植物(46%),通常它是留在地里,成为蚊子滋生的一个潜在来源(2]。在2013年的生产龙舌兰提取龙舌兰酒是756900吨3),大约有60%的这个数量是丢弃。

一些研究人员一直在研究使用龙舌兰纤维(AF)钢筋在某些聚合物矩阵。例如,阿兰达和同事研究了基于热塑性淀粉复合材料的行为与不同内容的龙舌兰蔗渣纤维(0-15 wt %)和聚乳酸(PLA)。结果表明,热塑性淀粉吸湿性随着解放军和纤维含量的增加而减少。存储、应力-应变和弯曲模量增加,解放军和/或龙舌兰蔗渣纤维含量,而抗冲击性下降(4]。在啤酒和同事进行的另一项研究,他们用聚苯乙烯改性AF和混合矩阵。不同纤维的影响维度(粒子,长和短纤维)复合材料的力学性能也被调查。粒子的纤维比短和长纤维具有更好的机械性能(5]。在其他工作中,房颤是由顺丁烯二酸酐改性接枝聚乙烯与低密度聚乙烯和混合。发现拉伸和弯曲模量增加房颤治疗浓度,而复合材料的冲击强度下降(6]。尤雅娜和同事也准备复合材料基于低密度聚乙烯与房颤的内容5,10,20 wt %和加工复合材料在几个温度资料;他们的研究结果表明,复合材料的杨氏模量线性增加纤维含量,但降低加工温度的增量由于纤维降解[7]。

自然填料的应用程序可以被看作是一种方法来调整材料假设填料/聚合物复合材料的性能矩阵相互作用将优化和吸湿性的天然填充物将受阻。等离子体技术已经证明其可能修改聚合物的表面性质,纳米粒子,和天然纤维等8- - - - - -10]。此前,不同作者报道等离子治疗天然纤维的优点,改善他们的界面粘附与不同聚合物(11]。例如,空气和氩等离子体处理提高木材纤维之间的兼容性(20 wt %)和聚丙烯增加抗拉强度和杨氏模量在13%和150%,分别由于氧组沉积在木纤维的表面等离子治疗期间(12]。其他作者使用氧等离子体处理修改黄麻纤维的表面和他们发现等离子体功率条件下的直接依赖的界面粘合纤维与高密度聚乙烯(HDPE)。例如,当黄麻织物在等离子体处理功率30 W,抗弯强度增加到一个值为39.7 MPa。增加等离子体功率为60 W导致最大挠曲强度(45.6 MPa)值,与HDPE /未经处理的黄麻纤维复合材料的价值(31.4 MPa) (13]。当一个单体如苯乙烯用于plasma-treat 4分钟,纤维素纤维的表面复合材料的杨氏模量增加约44%,治疗促进了兼容聚苯乙烯由于苯乙烯单体等离子体涂层沉积在纤维素纤维表面的14]。以同样的方式,在我们以前的工作15]我们得到杨氏模量增加60%,基于复合材料聚乙烯由于龙舌兰属植物纤维的表面改性乙烯等离子体;良好的分散和复合材料中观察到的兼容性。天然纤维的等离子体聚合过程的治疗也可以减少纤维的湿度吸收,这是一个重要的问题为不同的应用程序使用天然纤维。

本工作的目的是研究系统的影响通过乙烯等离子体处理法新社在聚合物复合材料的机械和热性能基于低密度聚乙烯。

2。实验

2.1。材料

低密度聚乙烯(PX 20020 P),密度0.92克/厘米³和0.2克/ 10分钟的熔体流动指数是由墨西哥石油(PEMEX)。龙舌兰纤维(AF)是由Solyagave s . a . de c V,并获得龙舌兰纤维粉(法新社),房颤磨和分离在200年和325目筛子摇测试振动筛。的内容龙舌兰纤维粉用于聚合物复合材料5,10,20 wt %。乙烯气体单体用于等离子体聚合过程请提供下文(墨西哥)。

2.2。等离子体处理

法新社的等离子体处理在圆底烧瓶进行(500毫升),铜线缠绕在烧瓶的墙壁上,充当一个感应电极。铜线的两端之一是连接到一个射频发生器(先进能源RFX600)。法新社的等离子治疗进行了如下:7 g(法新社,电磁搅拌器引入圆底烧瓶,当时与真空系统连接。最初的内部压力瓶是28 Pa。在等离子体处理,乙烯气体流量是固定在0.16厘米³最小值⁻¹当内部压力增加到50。等离子体工艺条件是40 W(输入等离子电源和60分钟的治疗时间。可以找到更多细节的等离子体反应器(16]。

2.3。聚合物共混的配方

复合材料是准备在Brabender塑度计混合室(75厘米³混合),凸轮式转子,准备在60 rpm和160°C,持续15分钟。首先,低密度聚乙烯是放置在加热室;然后添加了法新社和混合15分钟。

2.4。样品制备

对于机械测试,样品的厚度2毫米在φ由压缩成型热热压板模型Q230H-X4A 20吨在160°C和负载压力相同的条件下,冷却循环水通过压板。

进行机械试验按照ASTM d - 638,在smf - 120拉伸装置,使用50毫米/分钟的应变率25°C。每6个标本实验以前条件在23 40±2°C, h,在50岁±5%的相对湿度。

磨AF有或没有等离子体的治疗方法是使用PerkinElmer FTIR光谱仪红外光谱,分析了耦合衰减全反射单位(ATR-IR)。红外分析解决4厘米⁻¹和20扫描。

差示扫描量热法(DSC)分析复合材料进行了从助教仪器设备系列(发现),10°C的升温速率最小⁻¹在一个温度范围从0到200°C,在氮气氛中与50毫升/分钟的流量。结晶度(百分比)的低密度聚乙烯决心使用 在哪里是融合组合由DSC的焓,的焓是聚乙烯的结晶度为100%,报告为293 J g⁻¹(17),“”是分散相的重量分数的复合。

复合材料的形态决定使用Topcon SM510扫描电子显微镜(SEM)。样品低温断裂,和之前的分析,样本被涂上一层Au-Pd减少电荷效应。

3所示。结果与讨论

3.1。红外光谱分析

图1显示了ATR-IR法新社修改的(图的频谱1(一))以及ATR-IR频谱法新社改性的等离子体(图1(B))。第一个宽带位于3400厘米⁻¹是由于拉伸振动的羟基纤维素在法新社;乐队位于2920厘米⁻¹与碳氢键伸展的脂肪族二组18]。疲软的峰值为1730厘米⁻¹是由于半纤维素,与C = O拉伸nonconjugated酮、酯组和羰基(19]。乐队位于1640厘米⁻¹是由于C = O伸缩振动和C = C烯烃团体的伸缩振动和芳香族化合物(20.]。芳香结构振动从木质素和木质纤维素呈现一个乐队1510至1520厘米⁻¹(21]。在1250年达到顶峰,1000厘米⁻¹有关C-O-C和切断伸展振动纤维素链骨(22]。最后,乐队在1080厘米⁻¹与切断的伸展振动是由于多糖和纤维素报道之前,他还和Bodirlau分别(23,24]。

相对于等离子体对法新社,相同的红外信号观察纤维(原始和涂层)。通常,这些表面等离子体电影材料低于5 wt %的底物,因此很难观察到的红外信号,因为它是超出了红外光谱的检测极限。另一个原因是,合成了等离子体聚合的电影呈现出低关系H / C(大约1.49)对单体(2)由其他作者之前的研究已经证实,(25),这一事实表明,聚合物nanofilm具有高度交联结构,因此两个光谱信号之间的差异不能被看到。

在文学,据报道,等离子体处理高分子或等离子体涂层遭受部分氧化反应与大气中的氧气或水蒸气后切除治疗衬底从真空室甚至氧气溶解在单体(25,26]。这些信号与氧化聚合物薄膜沉积在纤维表面的粉末等离子没有检测到红外由于乐队可能重叠的法新社。

表面特征的变化对法新社等离子处理后测定定性在水中分散在水中测试。未经处理的法新社很好地分散在水(见图2(左)和这种行为是由于极性基团存在于纤维素,促进AFP的亲水特性。同时,等离子体处理法新社仍在水面2个月表明纤维疏水行为(图2,对吧)。上面可以用等离子体的存在来解释聚乙烯薄膜涂层位于法新社表面,抑制了对法新社的表面之间的相互作用和水。这种聚合物层已经被一些研究人员报道,他们已经表明,等离子体聚合物的存在在衬底表面减少了水分和氧气渗透,这两种等离子体的密度和结构相关聚合物薄膜涂层(27,28]。聚乙烯的交联结构合成了等离子体及其低浓度氧气的结构可以解释疏水的长时间稳定的行为对待法新社。

另一个证据,证实了等离子体的疏水特性对法新社的接触角测量和大约75°。据法新社没有接触角在未经处理的情况下形成的快速吸收水滴的龙舌兰纤维表明他们的亲水行为。众所周知,等离子体处理可以改变极性的几种类型的纤维,提高他们对不同聚合物的兼容性矩阵(29日];这表明等离子治疗乙烯可以降低表面能,因此治疗纤维润湿性低于原始纤维;也涂膜沉积在纤维呈现低极性。

3.2。搅拌扭矩

torque-time曲线在制备复合材料的熔体状态呈现在图3;在LDPE喂养,增加20 Nm的扭矩值可以确定;然后在2分钟减少到10纳米,这最后与LDPE颗粒融化。在4到6分钟的间隔有一些增加的值与法新社的加入相关的扭矩。这意味着,法新社的存在增加了熔体粘度的混合物。6分钟后,相邻分子之间的分子间作用力和物理缠结减少,和一个平衡值(12分钟)获得转矩的6.090.09 Nm实现低密度聚乙烯;与此同时混合的扭矩值10 wt %的法新社(200网)修改(MPF-10-M200)和修改的(NMF-10-M200)是7.590.02和7.080.02 Nm,分别。扭矩的略高价值MPF-10-M200与NMF-10-M200归因于更高的LDPE熔体分子之间的相互作用和等离子治疗法新社。相同的行为提出了更高的法新社的内容;更高的扭矩值观察混合包含20 wt %的法新社(200目)与那些包含10 wt %和值是8.360.04和8.190.02混合与20 wt %的法新社修改(MPF-20-M200)和修改的(NMF-20-M200),分别。

3.3。机械性能

复合材料的应力-应变图LDPE /法新社呈现在图4。低密度聚乙烯的典型行为观察与伸长分手的450%和相应的拉伸应力13 MPa。法新社的修改或修改的促进增加拉伸应力和断裂伸长率逐渐减少,可以观察到图4。然而,配方含有法新社(200目)等离子体改性的5 wt % (MPF-5-M200)和20 wt % (MPF-20-M200)进一步提高拉应力,但现在的伸长值百分比低于复合材料与未经处理的法新社5 (NMF-5-M200)和20 wt % (NMF-20-M200)。这个行为是由于乙烯等离子体对法新社提高聚乙烯的界面粘附矩阵。

法新社的杨氏模量的行为作为一个功能的内容呈现在图5。一般地,增加治疗和治疗法新社改善杨氏模量,但这种改进是提高复合材料含有对法新社(值高于10 wt %)。20 wt %的复合法新社(200网)贴上MPF-M200呈现增长21.7%在杨氏模量对复合纤维(20 wt %)的相同内容修改的(NMF-M200)。这种行为可以解释为增加AFP治疗表面之间的相互作用和聚乙烯矩阵。

的函数的大小(200 - 325目)法新社修改(MPF-M325)和修改的(NMF-M325)没有显著差异的杨氏模量复合材料尤其是在法新社低于10 wt %的内容。其他作者获得类似的结果之前,与氩等离子治疗和空气被用来改善剑麻纤维之间的结合强度和聚丙烯30.]。

其他力学性能的复合材料进行了总结表1和2。所有复合材料破坏时倾向于减少压力值与低密度聚乙烯的破坏时应力值。类似的行为也观察到复合材料的断裂伸长率的结果,表明法新社修改转移对LDPE的弹性性质,降低复合材料的韧性。

3.4。热性能

复合材料的热性能如结晶度的百分比,融化()和结晶()温度如表所示3。和没有显著影响的治疗和AFP治疗,而结晶度的增加()是观察和法新社内容的函数。众所周知,纤维的成核的影响矩阵推广结晶度的增加。

复合材料的结晶度和5 20 wt %的法新社(200网)修改(分别MPF-5-M200和MPF-20-M200)略高于与未经处理的法新社复合材料。这可能是一个更好的分散和治疗之间的兼容性的结果法新社和聚乙烯,法新社等离子治疗以来增加了对聚合物的兼容性矩阵。然而,20 wt %的复合法新社(200网)修改的(NMF-20-M200)略高结晶度比复合准备接受法新社相同内容的龙舌兰纤维(MPF-20-M200),这可能与系统的饱和与更好的分散的法新社矩阵。

3.5。扫描电子显微镜

图6(一)显示了扫描电子显微镜照相术低温裂缝的复合材料包含修改的法新社,法新社的形态学特点可以看出,在间期表明有一个洞之间缺乏兼容性阶段由于极性的差异这两个组件(9]。然而,包含等离子处理的复合材料与聚合物基质法新社提供一个良好的依从性,这与两个阶段之间的附着力好,附着力是提高了等离子治疗急性弛缓性麻痹(图6 (b))。这种兼容性的证据解释了为什么包含对法新社最好的复合材料杨氏模量。

4所示。结论

添加乙烯等离子体对法新社改善聚乙烯的界面粘附矩阵,因为涂层应用等离子体对法新社化学性质类似于聚合物。复合材料包含20 wt %的法新社(200网)修改(MPF-20-M200)提出了一个增加21.7%的杨氏模量对复合材料包含法新社修改的(NMF-20-M200)。法新社的存在也促进增加低密度聚乙烯的结晶度,但没有显著影响其结晶和熔融温度。这些结果提供了新的见解的使用龙舌兰纤维,特别是化学改性改变其表面特性,因此它们可以应用于许多不同的应用,如增强聚合物复合材料等。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢墨西哥国家科学技术委员会(CONACYT)的金融支持通过授予232706年Laboratorio Nacional de材料Grafenicos, CONACYT(250848项目)的金融支持。作者也要感谢Myriam Lozano, m·g . Mendez-Padilla j . f . Zendejo-Rodriguez和j·l·Saucedo-Morales技术支持在复合材料的制备和表征。

引用

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