麦秸粉粒径对微发泡木塑复合材性能的影响
高振棠
( 济宁市技师学院，山东 济宁 272000)
摘要: 采用挤出成型方式制备麦秸 / 聚乙烯微孔发泡复合材料，研究麦秸粉不同粒径( 40 ～ 60 目、60 ～ 80 目、80 ～ 120 目) 对 复合材料密度、弯曲强度、拉伸强度、冲击强度的影响并通过扫描电镜观察泡孔结构。结果表明: 随着麦秸粉粒径的减小， 复合材料的弯曲强度和拉伸强度增加，冲击强度、密度呈先增加后降低趋势，泡孔结构由疏到密、由大到小。
关键词: 麦秸粒径; 力学性能; 微孔发泡; 泡孔结构
微孔发泡木塑复合型材是以热塑性塑料为基体，木屑或植物纤维作为主要填充料，表面结皮、芯层发 泡的一种低发泡挤出制品，是木塑复合材料新的发展方向［1］。小麦为北方大量种植的粮食作物，麦秸为 其废弃物，麦秸的化学成分包括 40. 40% 的纤维素、25. 56% 的半纤维素、22. 34% 的木质素及其他成分。 其中纤维素呈纤维状，半纤维素是分子量较小的亲水性物质，在纤维中呈粉末状，吸水性能比纤维素高得 多，而木质素呈球形或块状、有亲水性［2］。由于麦秸粉由机械粉碎而成，不同粒径的麦秸粉具有不同的表 面粗糙度和长径比。麦秸粉的粒径越大，其表面的粗糙度越大，徐加友［3］研究发现较大表面粗糙度有助 于形成较深界面层及机械互锁，从而提高复合材料力学性能。当前有关麦秸的粒径对木塑复合材料性能 影响的研究较少，对于微孔发泡状态下粒径对复合材料性能的影响研究更少，本研究以麦秸为例研究微孔 发泡状态下麦秸粒径与泡孔结构及力学性能关系。为了探讨麦秸粉粒度对复合材料力学性能的影响，将 粉碎的麦秸粉碎进行筛选分目，取不同粒度范围的原料进行试验。
1 材料与方法
1. 1 主要原料
高密度聚乙烯( DMD1158) ，山东齐鲁石化公司; 马来酸酐接枝聚乙烯( MAPE) ，市售工业级; AC 发泡 剂( HG2096 － 2097 － 91) ，山东桓台博祥化工有限公司; 麦秸为淄博当地收割。
1. 2 主要设备
高速混合机，自制; Sirion200 场发射扫描电子显微镜( SEM) ，荷兰 FEI 公司; SJZ － 45 /90B 锥形双螺杆 挤出机，上海金湖挤出设备有限公司; FC － 320 锤片式粉碎机，山东省章丘市瑞丰机械厂。
1. 3 麦秸粉的制备与成型
麦秸粉是在淄博当地收割晾晒后经锤片式粉碎机粉碎后，分别用 40 ～ 120 目筛子过筛制得( 指透过40 目筛留在 120 目筛之上) 。使用前在 105 ℃ 烘箱中干燥 24 h。3 种不同的粒径麦秸粉试样( 图 1) : a. 麦
秸粉过 40 ～ 60 目的筛网，麦秸粉粒径 250 ～ 380 μm 间，呈球状表面较粗糙; b. 麦秸粉过 60 ～ 80 目的筛 网，麦秸粉粒径在 180 ～ 250 μm 间，粉末较少，纤维较多; c. 麦秸粉过 80 ～ 120 目筛网，麦秸粉粒径在
120 ～ 180 μm 间，纤维状较少，粉末状较多，表面粗糙度较小［4 － 5］。
图 1 麦秸粉粒径
将干燥好的麦秸粉与高密度聚乙烯及其他助剂混合好后放入异向锥形双螺杆挤出机中挤出成型，挤 出成型尺寸为 15 mm × 55 mm 片材冷却，切割加工成测试所需试样。挤出试验中，挤出温度设定为: 155℃ ，170 ℃ ，180 ℃ ，160 ℃ ，165 ℃ ; 主机螺杆转速控制在 5. 5 r·min － 1 左右。
0. 4 性能测试
拉伸强度、弯曲性能、缺口简支梁冲击强度、密度分别按照 GB / T 1040. 2—2006 塑料拉伸性能测试方 法［6］、GB / T 1449—2005 塑料弯曲性能试验方法［7］、GB / T 1043—2008 塑料简支梁冲击性能的测定［8］、GB / T 1463—2005 纤维增强塑料密度测试方法［9］测试、SEM 实验: 将试样断面真空镀金在扫描电镜下观察并拍照。3 次重复。
2 结果与讨论
2. 1 麦秸粉粒度对复合材料力学性能的影响
从图 2 可以看出，复合材料的冲击强度随着麦秸粉粒径的减小，呈先上升后下降的趋势，在 60 ～ 80 目的范围时，力学性能达到最大值，麦秸粉粒径继续减小( 超过 80 目以后) ，力学性能略有下降，这是由于60 ～ 80 目麦秸粉呈纤维状，麦秸纤维的增多大大增加复合材料的冲击强度; 由纤维增强理论可知，纤维小 于临界长度，应力则无法传递到纤维上，纤维起不到增强的作用。所以当外力作用到复合材料上时，纤维 很容易从基体中脱离出来，起不到增强作用，致使力学性能下降［6 － 8］。同时 80 目以上的麦秸粉呈粉末状， 随着粒径的减小，表面粗糙度减小，麦秸粉与聚乙烯的界面层深度减小，同时机械互锁能力减小，因此其冲 击强度比粒径 40 ～ 60 目的复合材料小。弯曲强度与拉伸强度随着粒径的减小而增加。这是由于随着粒 径的减小，麦秸粉比表面积增大，马来酸酐接枝界面层增强，复合材料的空隙率减小，密实程度增加，单位 面积承载能力增加，但密度也随之增加，弯曲强度与拉伸强度增大; 在麦秸粉粒径在 80 目以上时，随着麦 秸粉粒径减小，小粒径的麦秸粉在发泡成核时可以充当成核剂的作用，从而使泡孔变得细密均匀，从而使 复合材料密度下降［9］。
2. 2 麦秸粉粒径对泡孔结构的影响
由图 3 可知，麦秸粉的粒径越小，提供的成核点越多，泡孔就会小而密集; 反之泡孔就会大而疏。经典 成核理论认为气泡必须具有的 2 个成核条件: 过饱和气体和成核点。熔体中存在除了溶有过饱和气体的聚乙烯以外还包括麦秸粉，泡孔的成核模式包括均相成核和非均相成核，本体系中均相成核相差不大，非 均相成核表现在麦秸粉粒径的不同不仅提供了大量的气、液、固界面，同时小粒径更提供了大量的成核点， 对气泡成核影响较大。由图 3a 可知，40 ～ 60 目的麦秸粉粒径较大，表面粗糙，提供了较多的成核机会; 由 图 3b 可知，60 ～ 80 目的麦秸粉以纤维状为主，虽然也能提供较多的界面，但是气泡生长过程中气体很容 易从纤维状的表面逃逸，使得泡孔大疏; 随着气泡的增大，纤维与基体被剥离开，从而导致材料强度较低。 由图 3c 可知，80 目以上麦秸粉粒径更小，提供的界面更多，同时气体以细小的麦秸粉为成核剂，增加了体 系的成核速率使得泡孔更加密集。
图 2 麦秸粉粒径对复合材料性能的影响
图 3 麦秸粉粒径对复合材料的微观结构影响
3 小结
随着麦秸粉粒径的减小，复合材料的屈服强度和拉伸强度增加，冲击强度呈先增后降趋势; 随着麦秸 粉粒径的减小，复合材料的密度呈先增后降趋势。扫描电镜证实了麦秸粉粒径减小泡孔结构由疏到密、由大到小，为今后研究粒径与泡孔结构提供了新的途径。
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