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第五届国际材料加工与表征大会（ICMPC 2016）
纤维含量对菠萝/高密度聚乙烯复合材料力学性能和吸水性能的影响
印度Patiala-147002旁遮普大学机械工程系学生\印度Patiala-147002旁遮普大学机械工程系\MM大学机械工程系，Sadopur，Ambala，印度
摘要
本实验旨在研究菠萝纤维/高密度聚乙烯复合材料中菠萝纤维含量对材料拉伸强度、拉伸模量、硬度（Shore-D）和吸水性能的影响。菠萝纤维的含量维持在为5％，15％和25％（按重量计），高密度聚乙烯基质为1：1的新鲜高密度聚乙烯和再生高密度聚乙烯的混合物。将25％菠萝/高密度聚乙烯复合材料的实验结果与菠萝-剑麻（各12.5％）/高密度聚乙烯复合材料的实验结果进行比较。在制作复合材料之前，将纤维用NaOH和马来酸酐偶联剂进行化学处理以增强它们与高密度聚乙烯基质的粘合性。据观察，菠萝/高密度聚乙烯复合材料的拉伸强度和硬度随着纤维含量的增加而降低。而拉伸模量随着纤维含量的增加而增加。当菠萝/剑麻/高密度聚乙烯复合材料的总纤维含量占比为25％时，菠萝-剑麻/高密度聚乙烯复合材料表现出较高的拉伸强度和硬度，与菠萝/高密度聚乙烯复合材料相比拉伸模量较低。48小时吸水研究表明，在所有复合材料中，5％菠萝/高密度聚乙烯复合材料的吸水率最低。 拉伸断口的扫描电镜观察表明，纤维分层和纤维断裂是导致试样拉伸破坏的主要原因。
copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。
第五届国际材料加工与表征大会（ICMPC 2016）会议委员会成员负责选择和同行评审。
关键词：再生高密度聚乙烯;菠萝;剑麻;抗拉强度;拉伸模量;硬度;吸水性
*通讯作者。 电话： 91-9501007560; 传真： 91-175-2393005。
2214-7853copy;2017 Elsevier Ltd.保留所有权利。
第五届国际材料加工与表征大会（ICMPC 2016）会议委员会成员负责选择和同行评审。
介绍
随着大众环保意识的迅速提高，日益严重的全球废弃物问题和加工的高成本问题导致了人们重新重视发展可持续性和可再生资源的理念。因此，使用可再生资源--天然纤维作为热塑性和热固性塑料基质复合材料的增强材料，具有积极的环保效益。 在过去的几十年里，人们对天然纤维增强复合材料在汽车，建筑，航空航天和包装等各个领域的应用给予了相当的关注[1,2]。 天然纤维与合成纤维相比， 玻璃纤维由于其密度低，成本低，性能相近和对环境友好，因而具有优势[3,4]。由于合成纤维成本高，工业界正在寻找一些替代纤维，降低成本的同时提升材料的质量。 天然纤维作为聚合物基复合材料增强材料，被证明是在这个研究方向上一个不错的选择[5,6]。
由于塑料的降解时间很长，其残留会对环境构成严重威胁。 随着塑料构件使用量的不断增加，塑料废料的处理和填充空间已成为大多数国家严重关注的问题。因此，从消费后聚合物中开发出产品越来越受到人们的关注。 聚乙烯（PE）是构成聚合物废物的主要组成部分[7]。 在目前对天然纤维增强聚合物基复合材料（NFPMCs）进行的有限研究中，均选用再生聚乙烯被选作基体材料[8-11]。
基于此背景，研究菠萝纤维增强高密度聚乙烯（HDPE）复合材料的机械性能（拉伸强度，拉伸模量，硬度）和吸水性能，其中菠萝纤维含量不同（即重量占比5％，15％和25％）。以新鲜高密度聚乙烯和再生高密度聚乙烯为原料，将其制成1：1混合材料。与含有25％天然纤维（12.5％菠萝，12.5％剑麻）的基于高密度聚乙烯基质的混合复合材料进行比较。
实验细节
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- 使用的材料
本次实验以菠萝和剑麻纤维作增强材料，高密度聚乙烯（新鲜和再生）作为基体。这些纤维购自印度Jaipur, Rajasthan的Chandra Prakash＆Company公司，高密度聚乙烯（包括新鲜和再生的）购自印度Chandigarh的Goyal Polymers公司。所有纤维处理所需的化学品均购自印度AmbalaCantt的Vivek Chemical Industries。
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- 碱性处理
为了改善疏水性聚合物（高密度聚乙烯）和亲水性天然纤维（菠萝和剑麻）之间的粘合性，纤维在使用前前经过化学处理[12]。 为此目的，供应的纤维需被切成5-10mm不等的短条。经过切割的短条纤维需在80℃的蒸馏水中洗涤1小时。之后将将其放于100℃的烘箱中干燥5小时。将干燥的纤维浸入室温条件下的10％（wt.％）的NaOH水溶液中3小时。处理后，纤维的pH值约为10。此后将纤维用蒸馏水彻底洗涤直到其pH值达到7。最后将纤维置于80℃的热空气烘箱中干燥24小时，直至获得恒定质量的纤维，以此表明处理后的纤维已被完全除去了水分。
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- 马来酸酐处理
将经过碱处理的菠萝和剑麻纤维在浸入10％（wt.％），55℃的马来酸酐丙酮溶液中浸泡2小时。 浸泡之后用蒸馏水冲洗纤维直到其pH值达到7为止。 最后，将纤维置于105℃的烘箱中干燥，直至其质量不随时间发生变化。 之后的材料处理过程与之前的处理过程类似[13]。
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- 拉伸试样的制作
为了研究菠萝/高密度聚乙烯和菠萝-剑麻/高密度聚乙烯复合材料的拉伸性能，将纤维和高密度聚乙烯的混合物装入注射成型机（型号：BH-100，制造商：JB Industries Pvt.Ltd.）中，安装符合ASTM D638标准的拉伸试样。表1中列出了不同拉伸试样的组成。作为参考，还制备了相对应的纯高密度聚乙烯（样品A）的拉伸试样。
表1.样本的组成和编码 纤维含量（重量％） 高密度聚乙烯含量（wt％）
示例代码
|
菠萝 |
剑麻 |
新鲜 |
回收 |
|
|
A |
0 |
0 |
50 |
50 |
|
B |
5 |
0 |
47.5 |
47.5 |
|
C |
15 |
0 |
42.5 |
42.5 |
|
D |
25 |
0 |
37.5 |
37.5 |
|
E |
12.5 |
12.5 |
37.5 |
37.5 |
-
- 拉伸和硬度测试
实验通过在万能试验机（型号：AG-1S SHIMAZDU，Make-Japan）上进行室温拉伸试验来获得试样的拉伸性能。在测试过程中，根据ASTM D638标准，将十字头速度保持在50mm/min，并施加100KN的载荷。每个测试重复五次，用实验所得数据的平均值估计特定样品的拉伸强度和拉伸模量。之后将样品放置在平坦表面上，使用Shore-D硬度计，通过将压头压入试样表面来测量不同样品的硬度。 实验后通过对样品的7个不同位置处所测的硬度平均值来估计实验样品的硬度。
-
- 吸水行为
对表1中涉及到的各种样品进行吸水性测试，以确定浸泡时塑料部件的吸水率。该测试按照ASTM D570标准进行。本实验采用浸泡四十八小时的方法进行，首先对最初的样本进行称重，然后将其浸入温度为23℃的蒸馏水中。 在48小时结束后，将样品从水中取出，用干布擦拭以去除其表面水分，并称重以估计其吸水量，通过观察比较样本浸泡前和浸泡48小时后的重量的差异得出结论。
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- 扫描电子显微镜
使用JEOL扫描电子显微镜（型号：JSM-6510LV）对拉伸断裂试样进行扫描，以在试样断裂的前提下进行观察。并使用JEOL离子溅射仪（型号：JFC-1600）将扫描电子显微镜（SEM）上的待检查样品喷涂上一层薄的金和铂的薄层（4nm）以避免电荷积累。
结果与讨论
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- 纤维浓度对拉伸性能和硬度的影响
根据在不同样品上进行的拉伸试验估算的拉伸强度如图1所示。据观察，从B，C和E试样的数据分析中可以看出，随着菠萝/高密度聚乙烯复合材料中菠萝含量的增加，样品的拉伸强度会随之降低。
图1各种试样的拉伸强度
含有5％菠萝纤维的复合试样B在实验中表现出最低的强度。先前有关剑麻/高密度聚乙烯[12]和大麻/高密度聚乙烯[14]报道的研究也证实，随着天然纤维含量的增加，复合材料的拉伸强度会随之下降。 复合试样B和C的拉伸强度高于纯高密度聚乙烯试样A的拉伸强度，而复合试样D的强度低于试样A的强度。与试样A相比，复合试样B和C的拉伸强度分别提高了27.2％和2.3％，这可能是复合材料中的载荷转移所导致，在对复合材料的观察中可以看到其中载荷通过纤维-基体界面转移到纤维上。而试样D的抗拉强度(15.3%)低于试样A，是纤维基体的粘结不良导致的，这是因为拉伸断裂的扫描电镜图像中存在较大的空隙。 因此，菠萝纤维含量的提高对于增加纤维含量为25％的复合试样D的拉伸强度不能起到明显作用。与样品A，B和C相比，样品D的较低拉伸强度的另一个可能原因可能是，当复合试样中菠萝纤维的含量在15~25%之间时，会使得高密度聚乙烯基体(新鲜高密度聚乙烯和再生高密度聚乙烯的混合物50-50)达到饱和。而如果菠萝纤维的含量超过此范围，复合材料的拉伸强度会随着菠萝纤维含量的增加而降低。
各试样拉伸断裂扫描电镜图
（a）和（b）：试样B （c）和（d）：试样C （e）和（f）：试样D （g）和（h）：试样E.
25％菠萝/高密度聚乙烯（试样D）和25％菠萝-剑麻/高密度聚乙烯（试样E）的拉伸强度比较表明，多种类天然纤维的混合会导致天然纤维复合材料的拉伸强度提高（图1）。当两种复合材料的含量相等时，混合试样E的抗拉强度比单纤维复合材料试样D的抗拉强度高26.8％。
为了深入研究出造成各种复合材料试样拉伸破坏的主要机理，用扫描电镜对断裂试样进行了详细的观察。各拉伸试样断裂表面的扫描电镜图像如图2所示。扫描电镜图像显示，纤维在高密度聚乙烯基体中的分布不均匀。图像还显示出一些其他特征，例如纤维分层，空隙（由于纤维拉出基体而形成）和纤维断裂等。而光滑平滑空隙的存在（图2e-ef）表明纤维和基体之间的界面存在着附着力差，并且是由于拉伸载荷从基体中拉出而导致。在混合试样E中（图2g -2h），试样E与试样D相比，纤维断裂和纤维分层似乎是主要的失效机理，这表明与试样D相比，在两个试样具有等量的天然纤维含量的前提下，混合复合试样E具有更好的纤维基体附着性，且具有更高的拉伸强度。
通过对不同试样进行拉伸试验所得数据绘制对应的应力-应变曲线，用其线性部分的斜率来估算出各种复合试样的拉伸模量（也称为杨氏模量或弹性模量）。菠萝/高密度聚乙烯复合材料试样的拉伸模量始终高于高密度聚乙烯试样A（图3）。随着菠萝/高密度聚乙烯试样中菠萝纤维含量从5％增加到25％，拉伸模量随之增加。 与高密度聚乙烯样品A相比，样品B，C和E的拉伸模量分别高出21.3％，61.7％和65.4％。与拉伸强度不同，试验结果表明，在两个样品的纤维含量均为在25%的前提下，菠萝-剑麻/高密度聚乙烯复合试件E的拉伸模量显著低于菠萝/高密度聚乙烯混合试样D的拉伸模量(33.3%)。
图3 不同试样拉伸模量的比较
菠萝/高密度聚乙烯复合材料中纤维含量的变化对shore-D硬度的影响（图4）与图1中拉伸强度的观察结果类似。复合试样B和C的硬度略高于高密度聚乙烯试样A，但复合试样D的硬度低于试样A。与高密度聚乙烯试样A相比，复合试样B和C的硬度分别高出2.1％和1.1％，但复合试样D的硬度则低3.6％。Danladiet等人[15]还注意到菠萝/新鲜高密度聚乙烯复合材料的硬度随着纤维负载的增加而略有下降。类似于拉伸强度（图1），当两个试样具有相等数量的纤维（25％）时，复合试样E具有比试样D更高的硬度。
图4 各种试样的硬度比较。
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- 吸水率
图5总结了对各样品进行的吸水率测试结果。
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