全 文 ：第 32 卷 第 1 期
2011 年 1 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报
Journal of Inner Mongolia Agricultural University
Vol． 32 No． 1
Jan． 2011
沙柳 /聚丙烯复合材料的制备及力学性能研究*
李 奇1， 赵雪松2， 高 峰3， 于秋霞4
(1．内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院，呼和浩特 010018;2．内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018;
3．内蒙古农业大学职业技术学院，呼和浩特 014109;4．山东小鸭电器有限公司，济南 250101)
摘要: 本研究以沙柳木粉、聚丙烯为原料，加入硅烷偶联剂，采用热压法制备沙柳∕聚丙烯复合材料，对其力学性
能进行相关研究。在不加偶联剂条件下，当木粉加入量为 20% ～50%，木粉目数为 20 目至 80 目时，随木粉加入量的
增加复合材料的静曲强度呈先上升后下降趋势、弹性模量呈上升趋势，拉伸强度随之下降;随木粉粒径的减小，上述
力学性能呈现先上升后下降的趋势。硅烷偶联剂 KH550 和玻璃纤维的加入，使复合材料的整体力学性能明显提高，
当木粉加入量为 40%，木粉目数为 60 目，偶联剂加入量为 5%，玻璃纤维加入量为 15%时，复合材料整体力学性能较
好，此时，静曲强度为 55． 93MPa，弹性模量为 3 400MPa，拉伸强度为 24． 83MPa。
关键词: 沙柳; 聚丙烯; 复合材料; 力学性能
中图分类号: TS62 文献标识码: A 文章编号:1009 － 3575(2011)01 － 0227 － 04
THE RESEARCH ON PREPARATION AND
MECHANICAL PROPERTIES OF
SALIX /POLYPROPYLENE COMPOSITES
LI Qi1， ZHAO Xue － song2， GAO Feng3， YU Qiu － xia4
(1． College of Material Science and Art Design，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China;
2． College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 010018，China;
3． Vocational and Technical College，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot 014109，China;
4． Shandong Little Duck Inc． of Electrical Equipment，Jinan 250101，China)
Abstract: The research take wood flour of Salix and the polypropylene as raw materials，joined silane coupling agent，used the heat
pressing process to prepare salix /polypropylene composites． And then study mechanical properties of composites． Without coupling a-
gent，when the wood flour number is 20% ～ 50%，and size is 20 ～ 80，coupled with wood flour increasing，static bending strength first
increased then decreased． At the same time，the modulus of elasticity is increased but the tensile strength is decreased． With the size
of wood flour decreased，the similar mechanical properties first increased then decreased． If composites added silane coupling agent
KH550 and polycarbafil，overall mechanical properties obvious enhance． When the number of wood flour is 40%，coupling agent is
5%，polycarbafil is 15% and the size of wood flour is 60，it can be found that static bending strength is 55． 93MPa，the modulus of e-
lasticity is 3400MPa，and the tensile strength is 24． 83MPa．
Key words: Salix; polypropylene; composite material; mechanical properties
沙柳是 1 种多年生沙生灌木，广泛生长在我国
西北地区和内蒙古西部，是三北防护林工程在沙漠
地区的主要速生灌木。近些年来，沙柳等沙生灌木
资源在沙生灌木刨花板、中纤板的生产中得到了广
泛应用。根据其生物学特性，需 3a ～ 5a 平茬复壮 1
次，仅内蒙古鄂尔多斯市每年平茬所得沙柳即可达
118 万 t 以上，而该地区用于人造板、造纸生产的沙
生灌木资源不足 20%，因此，沙生灌木还具有巨大的
开发潜力［1］。采用沙生灌木材作为塑料的填充材
料，不但可以减少塑料和木材的消耗量，降低塑料制
品的成本，还可以扩大沙生灌木材的应用领域。因
此，本试验以沙柳材、聚丙烯为原料，制备木塑复合
材料，以优化材料力学性能为目标，探索工业化利用
沙生灌木材的新途径。
* 收稿日期: 2010 － 10 － 12
作者简介: 李奇(1974 －) ，女，讲师，主要从事人造板、材料成形方面的教学与研究 .
1 材料与方法
1． 1 材料
沙柳刨花:沙柳采自内蒙古自治区鄂尔多斯市
曼赖乡，在当地加工成刨花;聚丙烯:牌号 PPH － XD
－045，中国石油呼和浩特石化公司;偶联剂:硅烷偶
联剂 KH550，北京市申达精细化工有限公司;玻璃纤
维:平均长度 3mm，杭州高科复合材料有限公司;高
温聚酯膜:来自呼和浩特市金程板业有限责任公司;
无水乙醇、脱膜剂硅油、抗氧剂 168［三(2，4 －二叔
丁基苯基)亚磷酸酯］、石蜡等均为市售。
1． 2 主要设备
微型高速粉碎机，型号:200 河南省通许县技兴
制粉机械设备厂;混炼机，型号:TR － 502AD 台锐精
密检测设备有限公司;热压机，型号:BY602 × 2 /2
150T 苏州新协力企业发展有限公司;冷压机，型号:
QD 上海人造板机器厂;真空干燥箱，型号:DZF －
6210 上海恒科仪器有限公司;微机控制电子万能试
验机，型号:WDW －20A 济南天辰机器有限公司;多
功能台式电锯，KLKFW23． 1，德国产;分级筛，20 目、
40 目、60 目、80 目、100 目，浙江上虞市道墟张兴纱
筛厂;模具，内腔尺寸 300mm ×300mm ×4mm，自制。
1． 3 试验方法
1． 3． 1 试验设计 试验中:聚丙烯 +木粉 = 100%，
偶联剂、玻璃纤维及其它助剂加入量是相对于聚丙
烯和木粉总质量的百分比含量。板材设计密度0． 9
g /cm3。
在不加偶联剂和玻璃纤维的情况下，以木粉加
入量、木粉目数为因子，木粉加入量取 20%、30%、
40%、50% 4 个水平，木粉目数取 20 目、40 目、60
目、80 目 4 个水平，安排完全试验制备木塑复合材，
考察原料配比、木粉粒径对材料力学性能的影响。
在完全实验基础上，以硅烷偶联剂 KH550 的加入量
作为影响因子，选取用量为 1%、3%、5% 3 个水平，
进行单因素实验，分析偶联剂加入量对材料力学性
能的影响。在上述实验基础上，以玻璃纤维加入量
作为变量因子，选取 5%、10%、15% 3 个水平，考察
玻璃纤维加入量对材料力学性能的影响。
1． 3． 2 试样制备 试样制备工艺流程见图 1。
将沙柳刨花粉碎，筛分出 20 目、40 目、60 目及
80 目的木粉，100℃温度下抽真空干燥 6h，密封待
用。将聚丙烯和用偶联剂处理的玻纤在 100℃下抽
真空干燥 2h;将偶联剂用适量无水乙醇稀释，并均匀
分散到沙柳木粉中，再与干燥好的聚丙烯、玻纤及抗
氧化剂、石蜡等助剂混合拌匀;将混合均匀的物料在
混炼机上混炼，混炼机两辊温度为 197℃和 187℃;
在模具上下垫板上铺放高温聚酯膜并涂脱模剂，将
混炼好的材料均匀铺装在模具中，而后置于热压机
中，压板温度为 185℃，预热 10min，而后热压，压力
为 10Mpa，保压 7min;将热压后的材料连同模具和垫
板放于冷压机上冷压，压力 10MPa，时间 8min;在多
功能台式电锯上将板材截成所需试件大小。
图 1 试验工艺流程图
Fig． 1 Flow chart for the craft of experiment
1． 3． 3 板材性能检测 参照(GB /T1040 － 1992)
《塑料标准大全》测试材料的拉伸性能［2］;参照(GB /
T17657 － 1999)《人造板及饰面人造板理化性能试验
方法》对板材的静曲强度、弹性模量进行测定［3］。
2 试验结果与分析
按照 1． 3． 1进行实验，根据试验结果做图 2 ～图 6。
2． 1 木粉加入量、木粉粒径对复合材料性能的影响
由图 2 ～图 4 可以看出，随木粉加入量的增加，
材料的静曲强度呈现先上升后下降的趋势，弹性模
量呈现上升趋势，而拉伸强度一直下降。原因是:在
一定加入量范围内，木粉对 PP 具有增强作用［4］，当
复合体系受到外力作用时，木塑结合界面可将应力
从 PP基体传递到木纤维上去，达到体系中能量相互
传递的作用，对体系起到了增强的作用。但木粉含
量过高时，木粉中的羟基容易形成分子内以及分子
间氢键，导致木粉发生凝聚，木粉在复合体系中没有
均匀分散，随木粉加入量的增加，木粉中的木粉聚集
现象加剧，木粉颗粒引起的应力集中及产生缺陷的
几率加大，这时木粉不会增强基体，反而破坏了基体
的性能。所以静曲强度呈先上升后降低的趋势。拉
伸强度下降一方面是因为在不加改性剂或相容剂的
情况下，极性强的木粉与聚丙烯之间的界面粘合性、
相容性极差，界面结合不牢;另一方面是当木粉增
多，出现聚集现象时，粒径大的聚集体会引起应力集
中，容易产生结构破坏，使材料的拉伸强度下降。弹
性模量上升是因为木粉的结构为纤维束状，有一定
的长径比和较高的比强度，随木粉加入量增加，材料
刚性变大，弹性模量增大。
822 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2011 年
随木粉目数增大(粒径减小) ，材料的力学性能
均呈现先上升后下降的趋势。原因是:木粉在基体
中的分散性和木粉与基体之间的界面结合是提高木
塑复合材料宏观力学性能的主要因素。木粉粒径在
一定范围内，粒径越小，植物纤维与树脂接触的比表
面积增大，使木粉与基体的结合力增大，从而提高了
力学性能。但当粒径降到一定范围时，由于填料颗
粒的团聚现象加剧［5］，分散性也变差，木粉和塑料之
间的界面结合不好，木粉不仅没起到增强效果，反而
还破坏了塑料的整体性和连续性。因此板材的力学
性能会下降。
由图 2 ～图 4 可以看出，当木粉目数 60 目、木粉
加入量为 40%时，木塑复合材的静曲强度、弹性模
量、拉伸强度较好。
图 2 木粉加入量、木粉目数对静曲强度的影响
Fig． 2 The number and size of
wood flour affect static bending strength
图 3 木粉加入量、木粉目数对弹性模量的影响
Fig． 3 The number and size of
wood flour affect the modulus of elasticity
图 4 木粉加入量、木粉目数对拉伸强度的影响
Fig． 4 The number and size of
wood flour affect the tensile strength
2． 2 偶联剂加入量对复合材料性能的影响
以木粉目数 60 目、木粉加入量 40%为固定因
子，做出偶联剂加入量对材料力学性能的影响趋势
图 5。
由图 5 可以看出，材料的静曲强度、弹性模量、
拉伸强度均随偶联剂加入量增加呈上升趋势。原因
是:使用硅烷偶联剂可以改善木粉与基体之间的界
面粘结和其在基体中的分散性［6］，可在无机物质和
有机物质的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬
殊的材料连接在一起，提高复合材料的性能和增加
粘接强度的作用。当偶联剂用量为 1%时，填料表面
的包覆不完全，难以形成良好的偶联分子层，起不到
理想的偶联效果和增容作用。当偶联剂用量增加到
5%时填料表面包覆的较完全，所以复合材料的力学
性能随偶联剂加入量的增加呈上升趋势。
图 5 偶联剂加入量对材料力学性能的影响
Fig． 5 The number of coupling
agent affects mechanical property
922第 1 期 李 奇等: 沙柳 /聚丙烯复合材料的制备及力学性能研究
图 6 玻璃纤维加入量对材料力学性能的影响
Fig． 6 The number of polycarbafil
affects mechanical property
2． 3 玻玻纤维加入量对复合材料性能的影响
以木粉目数 60 目、木粉加入量 40%、偶联剂加
入量 5%为固定因子，做出玻璃纤维加入量对材料力
学性能的影响趋势图 6。
由图 6 可以看出，复合材料的静曲强度、弹性模
量、拉伸强度均随玻璃纤维加入量的增加呈上升趋
势，当加入量为 15%时，材料的力学性能较好。此
时，静曲强度为 55． 93MPa，弹性模量为 3 400MPa，拉
伸强度为 24． 83MPa。分析其原因是:玻璃纤维、木
纤维、聚丙烯分子之间形成了 1 个三维网状结构，微
小的木纤维可填充在网格的空隙中［7］，由于玻璃纤
维有比木纤维和聚丙烯更高的模量，玻璃纤维的加
入起到了加固木纤维的作用，玻璃纤维在复合材料
中起到增强体的作用，使塑料所承受不了的负荷或
能量转移到支撑的纤维上，并将载荷由局部传递到
较大的范围［8］，有效地提高了其力学性能。因此随
着玻璃纤维加入量的增加，复合材料的总体力学性
能得到增强。
3 结论
3． 1 在不加偶联剂条件下，当沙柳木粉加入量为
20% ～50%，目数为 20 目至 80 目时，随木粉加入量
的增加复合材料的静曲强度呈先上升后下降趋势、
弹性模量呈上升趋势，拉伸强度随之下降;随木粉粒
径的减小，上述力学性能均呈现先上升后下降的趋
势。
3． 2 硅烷偶联剂 KH550 和玻璃纤维的加入，使复
合材料的整体力学性能明显提高，当木粉加入量为
40%，木粉目数为 60 目，偶联剂加入量为 5%，玻璃
纤维加入量为 15%时，复合材料整体力学性能较好，
此时，静曲强度为 55． 93MPa，弹性模量为 3． 4 ×
103MPa，拉伸强度为 24． 83MPa。
参 考 文 献:
［1］ 王喜明．沙生灌木人造板生产技术产业化现状与发展
〔C〕．第二届全国生物质材料科学与技术学术研讨会
论文集，2008:1 － 7．
［2］ GB /T1040 － 1992，塑料标准大全〔S〕．
［3］ GB /T17657 － 1999，人造板及饰面人造板理化性能试验
方法〔S〕．
［4］ 刘文鹏，姚姗姗，陈晓丽，等．影响聚丙烯基木塑复合材
料力学性能因素〔J〕．现代塑料加工应用，2006，18(2) :
19 － 22．
［5］ 李兰杰，刘得志，陈占勋． 木粉粒径对木塑复合材料性
能的影响〔J〕． 现代塑料加工应用，2005，17(5) :21 －
24．
［6］ 秦特夫．改善木塑复合材料界面相容性的途径〔J〕．世
界林业研究，1998，11(3) :46 － 51．
［7］ 葛正浩，元庆凯，田普建，等．玻璃纤维对竹塑复合材料
性能的影响〔J〕．陕西科技大学学报，2010，8(4) :12 －
15
［8］ 宁彩珍，徐廷献，雅菁，等． 短切玻璃纤维(GF)增强
PET复合材料的研究〔J〕．塑料工业，2005，33(9) :33 －
35．
032 内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 2011 年