聚氯乙烯木塑复合材料性能研究.pdf

·95· 试 验 研 究 农业开发与装备 2018年第6期 摘要采用模压成型的方式、通过实验探索玻璃纤维（GF）含量 及偶联剂处理对聚氯乙烯（PVC）/稻壳木塑复合材料的力学特性 和耐磨性的影响。实验结果表明PVC/稻壳木塑复合材料的硬度 随GF含量增加呈现先减小后增大的趋势。GF含量在15以下时， 随着GF用量的增大，木塑复合材料的拉伸强度与冲击强度总体上 随之变大，超过15则随GF含量增大而减小。而弯曲强度出现先 减后增的趋势，弯曲弹性模量则与之相反。木塑复合材料的耐磨 损性在GF含量为15时最佳，摩擦系数在10时最大。合适的偶 联剂处理能增强木塑复合材料的力学性能和耐磨性。其中γ-氨丙 基三乙氧基硅烷（KH550）的增强效果比较好，钛酸酯不能提高 PVC/稻壳木塑材料的力学性能和耐磨性。 关键词玻璃纤维；聚氯乙烯；木塑复合材料；偶联剂；力学性 能；耐磨性 0 引言 聚氯乙烯（PVC）木塑复合材料是以PVC和木质纤维为主要 原料制成的复合材料，兼具有木质材料的使用性能和塑料的热塑 加工性能，主要可用作天然木材的替代而广泛使用 [1] 。其自身的强 度高、阻燃性能强、抗有害生物特性和耐腐蚀性能好成为用作结 构材料的首选 [2-4] ，但是该材料同样因为具备弯曲强度、冲击强度 差，热变形温度低及抗蠕变性差等缺点而降低了实用性 [5] 。传统 PVC增韧改性通常是在树脂中加入橡胶类弹性体，是以降低材料 宝贵的刚性、耐热性、尺寸稳定性为代价的 [6] 。目前，国际上较热 门的方式是通过加入刚性的增韧纤维既增强力学性能又不影响综 合性能 [7] 。利用玻璃纤维（GF）增强木塑复合材料不仅可以让其 拥有较好力学性能与摩擦磨损性能 [8] ，还能兼具良好的耐疲劳特 性。 在PVC复合材料中加入一定偶联剂或成型剂等可以在一定程 度上提高复合材料的稳定性 [9] 。同时能增强界面相容性从而提高材 料的力学强度，很明显地让GF较多地保留在PVC当中，从而提高 GF在PVC中保留的长径比 [10-11] 。GF没有经过处理时不溶性的物质 容易附着到GF表面，使得GF与PVC不能充分湿润。这两个原因直 接导致处理后材料的耐磨性及力学性能大幅度增加。 笔者通过在PVC/稻壳木塑复合材料中加入不同含量的稻壳、 GF及偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）与钛酸酯，采用模 压成型方法来探究GF及偶联剂含量对木塑复合材料的力学性能及 摩擦磨损性能的影响。 1 实验部分 1.1 主要原料 稻壳60～80目（180～250 μm），自制； PVCDG-1000K，天津大沽化工有限公司； GF市售，东海县富彩矿物制品有限公司； KH550分析纯，广州惠欣化工有限公司； 钛酸酯化学纯，广州泰瑞新材料有限公司； 酒精HY95，新泰市华源医疗卫生用品有限公司； 蒸馏水分析纯，自制。 1.2 实验仪器 电子天平UTP-313型，上海花湖电器有限公司； 平板硫化机XLB-0型，潮州顺力橡胶机械有限公司； 台锯GTS10 J型，博士集团（中国）有限公司； 电动振筛机8411型，浙江省上虞市道墟星峰仪器厂； 电热恒温鼓风干燥箱DG101-4型，南京盈鑫实验仪器有限 公司； 万能试验机CMT-6104型，美特斯工业系统（中国）有限公 司； 洛氏硬度计XHR-150型，上海联尔试验设备有限公司； 简支梁冲击试验机XJJ-5型，承德金键检测仪器有限公司； 高速混料机FP3010型，德国博朗电器公司。 1.3 试样制备 工艺流程见图1。 图1 样板制备工艺图 制备步骤如下分别将60目（250 μm）稻壳粉在90℃，PVC 与GF在80℃下烘干12h，然后装在密封袋中。将酒精和偶联剂按 照15的比例进行稀释。然后把稻壳粉、PVC、GF与偶联剂放在 搅拌机中混合，将混料在90℃下烘干24h后装入密封袋。将混料放 到10 cm12 cm的模具中后将模具放到平板硫化机中，设置温度 为160℃，压力为5～10 MPa，保压3次，每次5min进行模压成型。 然后将成型的样板切割成1 cm10 cm和0.7 cm3 cm的长条，以 便进行后续各项性能测试。 表1 为试验原材料配比及试样编号 编号 PVC含量 稻壳含量 GF含量 KH550含量 钛酸酯含量 1 60 40 5 2 0 2 60 40 10 2 0 3 60 40 15 2 0 4 60 40 20 2 0 5 60 40 10 0 0 6 60 40 10 2 0 7 60 40 10 0 2 1.4 测试方法 耐磨性测试采用GB5763-2008进行测试。硬度测试在洛氏硬 度计上进行。拉伸测试采用GB/T1447-2005在万能试验机上进行。 弯曲性能测试采用GB/T17657-1999在万能试验机上进行测试。冲 击测试采用GB/T17657-1999在冲击实验试验机上进行。以上所有 实验均在常温下进行。 2 结果与分析 2.1 稻壳用量对PVC复合材料的影响 2.1.1 力学性能分析 图2为不同稻壳含量时PVC木塑复合材料的硬度。如图2所 示，随稻壳含量增加，材料的硬度逐渐减小。说明稻壳含量越 大，材料硬度越小。这是因为随着稻壳含量的增多，致使稻壳在 PVC中分散性较差而使得复合材料缺陷增加所以样板的硬度有所 降低。 稻壳纤维/聚氯乙烯木塑复合材料性能研究 刘 俊，路 琴，祁彦君，李国超，杜周磊，张亨通 （南京农业大学工学院，江苏南京 210031） 台䭟GTS10 J型，博士集团（中国）有限公司； 电动振筛机8411型，浙江省上㲎市道໏星峰Ԛ器厂； 电✝ᚂ温啃风干燥箱DG101̢4型，南京盈鑫实验Ԛ器有限公司； 万能试验机CMT̢6104型，美特斯工业系统（中国）有限公司； 洛氏硬度计XHR̢150型，上海联尔试验设备有限公司； 简支梁冲击试验机XJJ̢5型，承德金键检测Ԛ器有限公司； 高速混料机FP3010型，德国博朗电器公司。 工艺流程见图1。 制备步僔如下分别将60目（250­m）稻壳粉在90ć，PVC与GF在80ć下烘干12h， 然后装在密封袋中。将酒精和偶联剂按照15的比例进行〰䟺。然后把稻壳粉、PVC、GF与 偶联剂放在ᨵ拌机中混合，将混料在90ć下烘干24h后装入密封袋。将混料放ࡠ10cm12 cm的模具中后将模具放ࡠ平ᶯ硫化机中，设置温度为160ć，压力为5～10MPa，保压3次， 每次5min进行模压成型。然后将成型的样ᶯ切割成1 cm10cm和0.7 cm3cm的长条， 以ׯ进行后续਴项性能测试。 编号 PVC含量稻壳含量 GF含量 KH550含量 钛酸酯 1 60 40 5 20 2 60 40 1020 3 60 40 1520 4 60 40 2020 5 60 40 1000 6 60 40 1020 7 60 40 1002 㙀磨性测试采用GB5763-2008进行测试。硬度测试在洛氏硬度计上进行。拉伸测试采用 GB/T1447-2005在万能试验机上进行。弯曲性能测试采用GB/T17657-1999在万能试验机上 进行测试。冲击测试采用GB/T17657-1999在冲击实验试验机上进行。以上所有实验均在常 温下进行。 图2为不同稻壳含量时PVC木塑复合材料的硬度。如图2所示，䲿稻壳含量增加，材料 的硬度䙀⑀减小。䈤明稻壳含量越大，材料硬度越小。䘉是因为䲿⵰稻壳含量的增多，致使 稻壳在PVC中分散性较差㘼使ᗇ复合材料缺䲧增加所以样ᶯ的硬度有所䱽低。 图3为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的冲击强度。如图3所示，䲿稻壳含量增加， 基金项目南京农业大学SRT项目（1730B04） ·96· 试 验 研 究 农业开发与装备 2018年第6期 图3为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的冲击强度。如图 3所示，随稻壳含量增加，冲击强度先增大后减小。在稻壳含量 为20时，冲击强度最大，这是因为稻壳 的冲击强度相对PVC较 小，所以当其含量增加时，材料的整体冲击强度下降。而稻壳含 量在20时达到最大是因为稻壳含量较少，对PVC的割裂破坏较 小，所以材料整体的冲击强度较高。 图2 稻壳用量对洛氏硬度的影响 图3 稻壳用量对冲击强度的影响 图4为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的拉伸强度。如图4 所示，随稻壳含量增加，拉伸强度逐渐减小。这是因为稻壳本身 聚合性较差，不能紧密地结合在一起或者是由于复合材料中的稻 壳含量增加时，影响到稻壳纤维与PVC基体材料的充分混合，其 表面相容性变差，导致稻壳纤维不能完全分散到基体材料中；所 以稻壳的含量越多会导致试样整体的拉伸强度下降。 图4 稻壳用量对拉伸强度的影响 图5为不同 稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲强度。如图5 所示，随稻壳含量增加，弯曲强度逐渐减小并趋于平稳。这是因 为稻壳的含量变大，使稻壳在PVC中分散性较差越来越差所以韧 性降低随之弯曲强度也降低，因此起初弯曲强度下降的快，而当 稻壳含量大于40时，材料的弯曲强度几乎保持不变，这是因为 稻壳含量过大，对材料的弯曲强度影响减小。 图6为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲模量。如图6 所示，随稻壳含量增加，弯曲模量也随之增大，恰与弯曲强度相 反，这是因为稻壳纤维属于天然纤维，其弯曲模量本身较大，所 以当其含量增多的时候也带动整体弯曲模量增大。 图5 稻壳用量对弯曲强度的影响 图6 稻壳用量对弯曲模量的影响 2.1.2 摩擦磨损性能分析 图7为不同稻壳含量时PVC 复合材料的磨损量。从图7看出， 随着稻壳含量的增加，PVC复合材料磨损量出现先减后增的趋 势，在稻壳含量为40时磨损量最低。可以看到稻壳用量越多材 料的耐磨性能也就越好，稻壳含量达到40左右，耐磨性最好。 持续加大稻壳用量将会致使耐磨性有所降低。这可能是由于稻壳 纤维含量为百分之四十时，复合材料具有最佳的含量比例，在这 个比例下复合材料的耐磨性能明显优于其他对照组。 图8为不同稻壳含量时复合材料的摩擦系数。从图8可看出， 随着稻壳含量的增加，复合材料的摩擦系数呈现先增后减的趋 势，在稻壳含量为40时摩擦系数最高。而且从图中可以看到， 载荷从100 N提高到150 N并没有导致摩擦系数的明显变化，这也 证实了摩擦系数跟压力没有关系，而跟材料本身有关，同时可以 看到，当稻壳含量在40左右的时候，摩擦系数最大。说明在复 合材料中加入稻壳纤维能有效地提高木塑复合材料的耐磨性能， 而且在稻壳含量为40的时候耐磨性能最佳。 图7 稻壳用量对摩擦性能的 图8 稻壳用量对摩擦摩擦系数的影响 2.2 GF用量对PV木塑复合材料的影响 2.2.1 力学性能分析 图9为不同GF用量时PVC木塑复合材料的硬度。如图9所示， 随GF含量增加，材料的硬度呈现先减后增的趋势。GF含量在10 时，PVC复合材料硬度最低，这是因为GF的硬度相对来说比较 大，当其含量增多时，使得试样的整体硬度也会有所上升。而GF 含量为5时硬度也较大，可能是因为GF较少时对材料的割裂破坏 较小，所以PVC复合材料整体的硬度也会较高。 图9 玻纤用量对洛氏硬度的影响 图10、11为不同GF用量时PVC复合材料的拉伸强度和冲击强 度。从图3可以看出，GF的用量在15以下时，随着GF密度的增 加，试样的拉伸强度逐渐变大冲击强度总体上也会增大。当GF用 量超过15，拉伸强度跟冲击强度都将有所降低。当GF含量达到 15的时候，PVC木塑复合材料拉伸强度和冲击强度分别达到最佳 状态。这是因为当GF用量较少时，能较好地与PVC基体结合，当 GF用量变大，超过15时，达到饱和状态，与PVC基体结合性变 差，游离GF会割裂PVC基体，从而使复合材料的结合面产生缺陷 导致其拉伸强度下降。 冲击强度先增大后减小。在稻壳含量为20时，冲击强度最大，䘉是因为稻壳 的冲击强度 相对PVC较小，所以当其含量增加时，材料的整体冲击强度下䱽。㘼稻壳含量在20时达ࡠ 最大是因为稻壳含量较少，对PVC的割㻲⹤ൿ较小，所以材料整体的冲击强度较高。 图4为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的拉伸强度。如图4所示，䲿稻壳含量增加， 拉伸强度䙀⑀减小。䘉是因为稻壳本身聚合性较差，不能㍗密地结合在一起或㘵是由于复合 材料中的稻壳含量增加时，影响ࡠ稻壳纤维与PVC基体材料的充分混合，其表面相容性变差， 导致稻壳纤维不能完全分散ࡠ基体材料中；所以稻壳的含量越多会导致试样整体的拉伸强度 下䱽。 图5为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲强度。如图5所示，䲿稻壳含量增加， 弯曲强度䙀⑀减小ᒦ趋于平稳。䘉是因为稻壳的含量变大，使稻壳在PVC中分散性较差越来 越差所以韧性䱽低䲿之弯曲强度ҏ䱽低，因↔起初弯曲强度下䱽的快，㘼当稻壳含量大于 40时，材料的弯曲强度几Ѿ保持不变，䘉是因为稻壳含量过大，对材料的弯曲强度影响减 小。 图6为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲模量。如图6所示，䲿稻壳含量增加， 弯曲模量ҏ䲿之增大，ᚠ与弯曲强度相৽，䘉是因为稻壳纤维኎于天然纤维，其弯曲模量本 身较大，所以当其含量增多的时候ҏ带动整体弯曲模量增大。 冲击强度先增大后减小。在稻壳含量为20时，冲击强度最大，䘉是因为稻壳 的冲击强度 相对PVC较小，所以当其含量增加时，材料的整体冲击强度下䱽。㘼稻壳含量在20时达ࡠ 最大是因为稻壳含量较少，对PVC的割㻲⹤ൿ较小，所以材料整体的冲击强度较高。 图4为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的拉伸强度。如图4所示，䲿稻壳含量增加， 拉伸强度䙀⑀减小。䘉是因为稻壳本身聚合性较差，不能㍗密地结合在一起或㘵是由于复合 材料中的稻壳含量增加时，影响ࡠ稻壳纤维与PVC基体材料的充分混合，其表面相容性变差， 导致稻壳纤维不能完全分散ࡠ基体材料中；所以稻壳的含量越多会导致试样整体的拉伸强度 下䱽。 图5为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲强度。如图5所示，䲿稻壳含量增加， 弯曲强度䙀⑀减小ᒦ趋于平稳。䘉是因为稻壳的含量变大，使稻壳在PVC中分散性较差越来 越差所以韧性䱽低䲿之弯曲强度ҏ䱽低，因↔起初弯曲强度下䱽的快，㘼当稻壳含量大于 40时，材料的弯曲强度几Ѿ保持不变，䘉是因为稻壳含量过大，对材料的弯曲强度影响减 小。 图6为不同稻壳用量时PVC木塑复合材料的弯曲模量。如图6所示，䲿稻壳含量增加， 弯曲模量ҏ䲿之增大，ᚠ与弯曲强度相৽，䘉是因为稻壳纤维኎于天然纤维，其弯曲模量本 身较大，所以当其含量增多的时候ҏ带动整体弯曲模量增大。 图7为不同稻壳含量时PVC 复合材料的磨ᦏ量。从图7看出，䲿⵰稻壳含量的增加， PVC复合材料磨ᦏ量出现先减后增的趋势，在稻壳含量为40时磨ᦏ量最低。可以看ࡠ稻壳 用量越多材料的㙀磨性能ҏ就越好，稻壳含量达ࡠ40左ਣ，㙀磨性最好。持续加大稻壳用 量将会致使㙀磨性有所䱽低。䘉可能是由于稻壳纤维含量为百分之四十时，复合材料具有最 佳的含量比例，在䘉个比例下复合材料的㙀磨性能明显优于其他对照组。 图8为不同稻壳含量时复合材料的摩擦系数。从图8可看出，䲿⵰稻壳含量的增加，复 合材料的摩擦系数੸现先增后减的趋势，在稻壳含量为40时摩擦系数最高。㘼ф从图中可 以看ࡠ，载荷从100N提高ࡠ150Nᒦ⋑有导致摩擦系数的明显变化，䘉ҏ证实Ҷ摩擦系数 䐏压力⋑有关系，㘼䐏材料本身有关，同时可以看ࡠ，当稻壳含量在40左ਣ的时候，摩擦 系数最大。䈤明在复合材料中加入稻壳纤维能有效地提高木塑复合材料的㙀磨性能，㘼ф在 稻壳含量为40的时候㙀磨性能最佳。 力学性能分析 图9为不同GF用量时PVC木塑复合材料的硬度。如图9所示，䲿GF含量增加，材料的 硬度੸现先减后增的趋势。GF含量在10时，PVC复合材料硬度最低，䘉是因为GF的硬度 相对来䈤比较大，当其含量增多时，使ᗇ试样的整体硬度ҏ会有所上升。㘼GF含量为5时 硬度ҏ较大，可能是因为GF较少时对材料的割㻲⹤ൿ较小，所以PVC复合材料整体的硬度 ҏ会较高。 图7为不同稻壳含量时PVC 复合材料的磨ᦏ量。从图7看出，䲿⵰稻壳含量的增加， PVC复合材料磨ᦏ量出现先减后增的趋势，在稻壳含量为40时磨ᦏ量最低。可以看ࡠ稻壳 用量越多材料的㙀磨性能ҏ就越好，稻壳含量达ࡠ40左ਣ，㙀磨性最好。持续加大稻壳用 量将会致使㙀磨性有所䱽低。䘉可能是由于稻壳纤维含量为百分之四十时，复合材料具有最 佳的含量比例，在䘉个比例下复合材料的㙀磨性能明显优于其他对照组。 图8为不同稻壳含量时复合材料的摩擦系数。从图8可看出，䲿⵰稻壳含量的增加，复 合材料的摩擦系数੸现先增后减的趋势，在稻壳含量为40时摩擦系数最高。㘼ф从图中可 以看ࡠ，载荷从100N提高ࡠ150Nᒦ⋑有导致摩擦系数的明显变化，䘉ҏ证实Ҷ摩擦系数 䐏压力⋑有关系，㘼䐏材料本身有关，同时可以看ࡠ，当稻壳含量在40左ਣ的时候，摩擦 系数最大。䈤明在复合材料中加入稻壳纤维能有效地提高木塑复合材料的㙀磨性能，㘼ф在 稻壳含量为40的时候㙀磨性能最佳。 力学性能分析 图9为不同GF用量时PVC木塑复合材料的硬度。如图9所示，䲿GF含量增加，材料的 硬度੸现先减后增的趋势。GF含量在10时，PVC复合材料硬度最低，䘉是因为GF的硬度 相对来䈤比较大，当其含量增多时，使ᗇ试样的整体硬度ҏ会有所上升。㘼GF含量为5时 硬度ҏ较大，可能是因为GF较少时对材料的割㻲⹤ൿ较小，所以PVC复合材料整体的硬度 ҏ会较高。 图7为不同稻壳含量时PVC 复合材料的磨ᦏ量。从图7看出，䲿⵰稻壳含量的增加， PVC复合材料磨ᦏ量出现先减后增的趋势，在稻壳含量为40时磨ᦏ量最低。可以看ࡠ稻壳 用量越多材料的㙀磨性能ҏ就越好，稻壳含量达ࡠ40左ਣ，㙀磨性最好。持续加大稻壳用 量将会致使㙀磨性有所䱽低。䘉可能是由于稻壳纤维含量为百分之四十时，复合材料具有最 佳的含量比例，在䘉个比例下复合材料的㙀磨性能明显优于其他对照组。 图8为不同稻壳含量时复合材料的摩擦系数。从图8可看出，䲿⵰稻壳含量的增加，复 合材料的摩擦系数੸现先增后减的趋势，在稻壳含量为40时摩擦系数最高。㘼ф从图中可 以看ࡠ，载荷从100N提高ࡠ150Nᒦ⋑有导致摩擦系数的明显变化，䘉ҏ证实Ҷ摩擦系数 䐏压力⋑有关系，㘼䐏材料本身有关，同时可以看ࡠ，当稻壳含量在40左ਣ的时候，摩擦 系数最大。䈤明在复合材料中加入稻壳纤维能有效地提高木塑复合材料的㙀磨性能，㘼ф在 稻壳含量为40的时候㙀磨性能最佳。 力学性能分析 图9为不同GF用量时PVC木塑复合材料的硬度。如图9所示，䲿GF含量增加，材料的 硬度੸现先减后增的趋势。GF含量在10时，PVC复合材料硬度最低，䘉是因为GF的硬度 相对来䈤比较大，当其含量增多时，使ᗇ试样的整体硬度ҏ会有所上升。㘼GF含量为5时 硬度ҏ较大，可能是因为GF较少时对材料的割㻲⹤ൿ较小，所以PVC复合材料整体的硬度 ҏ会较高。 图10、11为不同GF用量时PVC复合材料的拉伸强度和冲击强度。从图3可以看出，GF 的用量在15以下时，䲿⵰GF密度的增加，试样的拉伸强度䙀⑀变大冲击强度总体上ҏ会 增大。当GF用量超过15，拉伸强度䐏冲击强度都将有所䱽低。当GF含量达ࡠ15的时候， PVC木塑复合材料拉伸强度和冲击强度分别达ࡠ最佳状态。䘉是因为当GF用量较少时，能 较好地与PVC基体结合，当GF用量变大，超过15时，达ࡠ価和状态，与PVC基体结合性 变差，游离GF会割㻲PVC基体，从㘼使复合材料的结合面产生缺䲧导致其拉伸强度下䱽。 从图12、13可以看出，材料的弯曲强度在GF含量15时最低，弯曲弹性模量䲿⵰GF 用量的增多੸现先增大后䱽低的规律，䘉是因为GF是刚性粒子，所以GF含量的增多会导致 试样的弯曲强度下䱽，当超过15的时候，GF对材料产生⹤ൿ，导致试样的硬度下䱽㘼韧性 增加。从图4可以看出，试样弯曲弹性模量的变化䐏弯曲强度的变化是相৽的，ҏ证明Ҷ上 述观点。 ·97· 试 验 研 究 农业开发与装备 2018年第6期 图10 玻纤用量对拉伸强度的影响 图11 玻纤用量对冲击强度的影响 从图12、13可以看出，材料的弯曲强度在GF含量15时最 低，弯曲弹性模量随着GF用量的增多呈现先增大后降低的规律， 这是因为GF是刚性粒子，所以GF含量的增多会导致试样的弯曲强 度下降，当超过15的时候，GF对材料产生破坏，导致试样的硬 度下降而韧性增加。从图4可以看出，试样弯曲弹性模量的变化跟 弯曲强度的变化是相反的，也证明了上述观点。 图12 玻纤用量对弯曲强度的影响 图13 玻纤用量对弯曲模量的影响 2.2.2 摩擦磨损性能分析 图14为不同GF用量时PVC复合材料的磨损量。从图14看出， 随着GF用量的增加，PVC复合材料磨损量出现先减后增的趋势， 在GF用量为15时磨损量最低。复合材料中的GF具有分散和传 递载荷的作用，使加在其上的力分散到周围基体上，同时GF均匀 分布在材料中与周围基体相互之间有力的作用使得材料难以被磨 损。而这种作用在GF含量占15时最佳，此时GF耐磨损性最好。 图15为不同GF用量时复合材料的摩擦系数。从图15可看出， 随着GF用量的增加，复合材料的摩擦系数呈现先增后减的趋势， 在GF用量为10时（2 样品）摩擦系数最高。摩擦力是受到剪切 而产生的，由于材料的界面粘着非常牢固，所以剪切一般发生在 复合材料的基体上。因此复合材料的整体强度决定了摩擦力的大 小，在GF含量占10时，复合材料的整体强度最小，此时材料的 摩擦系数最大。 图14 玻纤用量对耐磨性能的影响 图15 玻纤用量对摩擦系数的影响 2.3 偶联剂对 PVC 复合材料的影响 2.3.1 力学性能分析 表2为加入2偶联剂和未添加偶联剂时PVC木塑复合材料的力 学性能。 从表2能比较清晰地看到，加了2的偶联剂后，试样的拉伸 强度、弯曲强度、弯曲弹性模量、洛氏硬度都有明显提高。这可 能是因为KH550偶联剂的加入可显著提高GF在PVC基体内的保留 长度。GF没有经过处理时不溶性的物质容易附着到GF表面，使得 GF与PVC不能被充分湿润。这两个原因直接导致处理后性能大幅 度增加。此外，如果GF没有经过处理，则会因为其光滑的表面和 PVC的结合能力较差，而使得PVC复合材料很容易便在GF与PVC 的结合面部分产生破坏性裂纹，使材料失效。然而GF经处理之 后，能够与PVC较为紧密结合在一起，这时的GF可以看做一个一 个的“位垒”，只有所承受的破坏能量超过“位垒”高度时，材 料才会被破坏。而偶联剂的加入能增加位垒的高度。 从表3可以看到，加KH550后，材料的拉伸强度、弯曲强度及 弯曲弹性模量都明显高于加钛酸酯的。这是因为用KH550处理的 复合材料界面结合性比用钛酸酯处理的更好。用含有氨基硅烷的 偶联剂和成膜剂处理的GF增强PVC复合材料，是因为使其界面层 的结合得到改善而使得材料的力学性能得到了提高。 表2 是否添加偶联剂对各项力学性能的影响 试样 种类 拉伸强度 MPa 弯曲强度 MPa 弯曲弹性 模量/GPa 冲击强度 （kJ·m -2 ） 洛氏 硬度 添加偶联剂 35.917 9 60.067 4 4.212 0 1.46 42.3 未添加偶联剂 24.657 4 45.620 9 1.961 0 2.76 40.3 表3 偶联剂类型对各项力学性能的影响 编号 拉伸强度 /MPA 弯曲强度 /MPA 弯曲模量 /GPA 冲击强度 /（kJ/m 2 ） 洛氏硬度 /HRL KH550 35.9179 60.0671 4.2120 1.46 42.3 钛酸酯 18.3548 37.3371 1.1303 4.35 44.0 2.3.2 摩擦磨损性能分析 图16、17分别为不同偶联剂类型时PVC木塑复合材料的耐磨 性和摩擦系数。 从图16可以看出，用KH550处理过的PVC材料的耐磨性高于 未经过偶联剂处理的材料。这是因为KH550偶联剂增强了无机高 分子填料跟树脂之间的结合面黏合强度，在摩擦过程中，GF不易 从树脂中脱落，降低了材料的磨粒磨损，从而增强了耐磨性能。 同时可以看到，用钛酸酯处理过的PVC材料的耐磨性高于未经过 偶联剂处理的材料。这是由于实验添加的钛酸酯物理性状为黏稠 状黄色液体，而且其在复合材料中的添加量较少，只有2，导致 钛酸酯偶联剂在材料中分布不均使其复合材料的耐磨性能下降。 同时这也说明不是所有的偶联剂都能增强材料的耐磨性能。 从图17可以看出，经过KH550处理的材料的摩擦系数远小于 未经过偶联剂处理的材料。这是因为偶联剂增强了无机高分子填 料跟树脂之间的结合面黏合强度，使原料的摩擦特性得到了明显 的提升。 经过钛酸酯处理的材料与未经过偶联剂处理的材料的摩擦系数 相同，这说明钛酸酯对PVC/木塑复合材料的摩擦系数影响不大。 图16 不同偶联剂时PVC木塑复合材料的耐磨性图 图10、11为不同GF用量时PVC复合材料的拉伸强度和冲击强度。从图3可以看出，GF 的用量在15以下时，䲿⵰GF密度的增加，试样的拉伸强度䙀⑀变大冲击强度总体上ҏ会 增大。当GF用量超过15，拉伸强度䐏冲击强度都将有所䱽低。当GF含量达ࡠ15的时候， PVC木塑复合材料拉伸强度和冲击强度分别达ࡠ最佳状态。䘉是因为当GF用量较少时，能 较好地与PVC基体结合，当GF用量变大，超过15时，达ࡠ価和状态，与PVC基体结合性 变差，游离GF会割㻲PVC基体，从㘼使复合材料的结合面产生缺䲧导致其拉伸强度下䱽。 从图12、13可以看出，材料的弯曲强度在GF含量15时最低，弯曲弹性模量䲿⵰GF 用量的增多੸现先增大后䱽低的规律，䘉是因为GF是刚性粒子，所以GF含量的增多会导致 试样的弯曲强度下䱽，当超过15的时候，GF对材料产生⹤ൿ，导致试样的硬度下䱽㘼韧性 增加。从图4可以看出，试样弯曲弹性模量的变化䐏弯曲强度的变化是相৽的，ҏ证明Ҷ上 述观点。 图10、11为不同GF用量时PVC复合材料的拉伸强度和冲击强度。从图3可以看出，GF 的用量在15以下时，䲿⵰GF密度的增加，试样的拉伸强度䙀⑀变大冲击强度总体上ҏ会 增大。当GF用量超过15，拉伸强度䐏冲击强度都将有所䱽低。当GF含量达ࡠ15的时候， PVC木塑复合材料拉伸强度和冲击强度分别达ࡠ最佳状态。䘉是因为当GF用量较少时，能 较好地与PVC基体结合，当GF用量变大，超过15时，达ࡠ価和状态，与PVC基体结合性 变差，游离GF会割㻲PVC基体，从㘼使复合材料的结合面产生缺䲧导致其拉伸强度下䱽。 从图12、13可以看出，材料的弯曲强度在GF含量15时最低，弯曲弹性模量䲿⵰GF 用量的增多੸现先增大后䱽低的规律，䘉是因为GF是刚性粒子，所以GF含量的增多会导致 试样的弯曲强度下䱽，当超过15的时候，GF对材料产生⹤ൿ，导致试样的硬度下䱽㘼韧性 增加。从图4可以看出，试样弯曲弹性模量的变化䐏弯曲强度的变化是相৽的，ҏ证明Ҷ上 述观点。 摩擦磨ᦏ性能分析 图14为不同GF用量时PVC复合材料的磨ᦏ量。从图14看出，䲿⵰GF用量的增加，PVC 复合材料磨ᦏ量出现先减后增的趋势，在GF用量为15时磨ᦏ量最低。复合材料中的GF具 有分散和传递载荷的作用，使加在其上的力分散ࡠ周围基体上，同时GF均र分布在材料中 与周围基体相互之间有力的作用使ᗇ材料难以㻛磨ᦏ。㘼䘉种作用在GF含量占15时最佳， ↔时GF㙀磨ᦏ性最好。 图15为不同GF用量时复合材料的摩擦系数。从图15可看出，䲿⵰GF用量的增加，复 合材料的摩擦系数੸现先增后减的趋势，在GF用量为10时（2 样品）摩擦系数最高。摩擦 力是ਇࡠ剪切㘼产生的，由于材料的界面㋈⵰非常⢒固，所以剪切一般发生在复合材料的基 体上。因↔复合材料的整体强度决定Ҷ摩擦力的大小，在GF含量占10时，复合材料的整 体强度最小，↔时材料的摩擦系数最大。 力学性能分析 表2为加入2偶联剂和未添加偶联剂时PVC木塑复合材料的力学性能。 从表2能比较清Რ地看ࡠ，加Ҷ2的偶联剂后，试样的拉伸强度、弯曲强度、弯曲弹 性模量、洛氏硬度都有明显提高。䘉可能是因为KH550偶联剂的加入可显著提高GF在PVC 基体内的保⮉长度。GF⋑有经过处理时不溶性的物质容᱃䱴⵰ࡠGF表面，使ᗇGF与PVC 不能㻛充分湿润。䘉两个原因直接导致处理后性能大幅度增加。↔外，如果GF⋑有经过处 理，则会因为其光━的表面和PVC的结合能力较差，㘼使ᗇPVC复合材料ᖸ容᱃ׯ在GF与 PVC的结合面部分产生⹤ൿ性㻲㓩，使材料ཡ效。然㘼GF经处理之后，能ཏ与PVC较为㍗ 密结合在一起，䘉时的GF可以看做一个一个的“位ෂ”，ਚ有所承ਇ的⹤ൿ能量超过“位ෂ” 高度时，材料才会㻛⹤ൿ。㘼偶联剂的加入能增加位ෂ的高度。 从表3可以看ࡠ，加KH550后，材料的拉伸强度、弯曲强度及弯曲弹性模量都明显高于 加钛酸酯的。䘉是因为用KH550处理的复合材料界面结合性比用钛酸酯处理的更好。用含有 氨基⹵✧的偶联剂和成膜剂处理的GF增强PVC复合材料，是因为使其界面层的结合ᗇࡠ改 善㘼使ᗇ材料的力学性能ᗇࡠҶ提高。 试样 种类 拉伸强度 MPa 弯曲强度 MPa 弯曲弹性 模量ˋGPa 冲击强度 kJ·m -2 洛氏 硬度 添加 偶联剂 35.9179 60.0674 4.2120 1.46 42.3 未添 加偶联剂 24.6574 45.6209 1.9610 2.76 40.3 编号 拉伸强度 /MPA 弯曲强度 /MPA 弯曲模量/GPA 冲击强度/ （kJ/m 2 ） 洛氏硬度/HRL KH550 35.9179 60.0671 4.2120 1.46 42.3 钛酸酯 18.3548 37.3371 1.1303 4.35 44.0 摩擦磨ᦏ性能分析 图16、17分别为不同偶联剂类型时PVC木塑复合材料的㙀磨性和摩擦系数。 从图16可以看出，用KH550处理过的PVC材料的㙀磨性高于未经过偶联剂处理的材料。 䘉是因为KH550偶联剂增强Ҷ无机高分子填料䐏树脂之间的结合面哿合强度，在摩擦过程 中，GF不᱃从树脂中㝡落，䱽低Ҷ材料的磨粒磨ᦏ，从㘼增强Ҷ㙀磨性能。同时可以看ࡠ， 用钛酸酯处理过的PVC材料的㙀磨性高于未经过偶联剂处理的材料。䘉是由于实验添加的钛 酸酯物理性状为哿ぐ状黄色⏢体，㘼ф其在复合材料中的添加量较少，ਚ有2，导致钛酸 酯偶联剂在材料中分布不均使其复合材料的㙀磨性能下䱽。同时䘉ҏ䈤明不是所有的偶联剂 都能增强材料的㙀磨性能。 从图17可以看出，经过KH550处理的材料的摩擦系数远小于未经过偶联剂处理的材料。 䘉是因为偶联剂增强Ҷ无机高分子填料䐏树脂之间的结合面哿合强度，使原料的摩擦特性ᗇ ࡠҶ明显的提升。 经过钛酸酯处理的材料与未经过偶联剂处理的材料的摩擦系数相同，䘉䈤明钛酸酯对 PVCˋ木塑复合材料的摩擦系数影响不大。 ·98· 试 验 研 究 农业开发与装备 2018年第6期 图17 不同偶联剂时PVC木塑复合材料的摩擦系数 3 结语 1