全 文 ：第 41 卷第 6 期
2013 年 6 月
塑料工业
CHINA PLASTICS INDUSTRY
* 国家自然科学基金 (批准号 21074075) ，教育部新世纪人才计划 (NCET-11-0348)
＊＊ 联系人 wkestar@ scu. edu. cn
作者简介:韩宋佳，女，1988 年生，在读硕士研究生，主要从事纤维增强复合材料研究。hansongjia@ 126. com
剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究*
韩宋佳，王 柯＊＊，张 琴，傅 强
(四川大学高分子材料科学与工程学院 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)
摘要:采用动态保压注塑成型技术 (DPIM) ，通过在熔融共混体系中施加往复的剪切应力以改善剑麻纤维 (SF)
与聚丙烯 (PP)复合材料的结构与性能。力学性能测试表明:动态保压获得的样品，拉伸强度与模量获得大幅度提
高，但样品冲击性能有所下降。当剑麻纤维质量分数为 30%时，动态复合材料的拉伸强度提高了 23%。DSC 结果表
明:由于剑麻纤维充当了结晶成核点的作用，使得复合物的结晶温度提高。
关键词:剪切作用;剑麻纤维;聚丙烯;界面作用
DOI:10. 3969 / j. issn. 1005－5770. 2013. 06. 010
中图分类号:TQ325. 1+4 文献标识码:A 文章编号:1005－5770 (2013)06－0035－04
The Preparation and Property Study of the High Performance
SF Reinforced PP Composites
HAN Song-jia，WANG Ke，ZHANG Qin，FU Qiang
(College of Polymer Science and Engineering，State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering，Sichuan University，
Chengdu 610065，China)
Abstract:Through a dynamic packing injection molding technology (DPIM) ，imposed the back and
forth action of the shear stress on the melt blending system，the injection products structure and properties of
the sisal fiber (SF)/polypropylene (PP)composites were improved． The mechanical properties test showed
that the tensile strength and modulus of the DPIM product increased，but the impact strength decreased．
Addition of 30% SF caused an increase of 23% in tensile strength of the dynamic composite． Moreover，the
DSC showed the crystallization temperature of composite was improved，due to the sisal fibers acting as the
heterogeneously nucleating points．
Keywords:Shearing Effect;Sisal Fiber;Polypropylene，Interfacial Interaction
随着科技的进步，人们在要求材料性能不断提高
的同时，也越来越重视其对环境的影响。天然纤维在
自然界中资源储量极为丰富，且与传统的玻纤相比，
具有密度小，比强度高，价格低廉，极大地降低了成
本，能耗低，环境友好，可自然降解，对身体无刺
激，对加工设备磨损小等特点，因而引起人们广泛的
注意。近年来，天然纤维增强复合材料被广泛的应用于
窗框、门、地板、建筑模板、汽车配件等的生产［1－3］。
目前许多研究都集中在界面改性方面，通过对天然纤维
表面改性或者添加相容剂来增强纤维与基体之间的相互
作用，从而提高复合材料的性能［4－6］。虽然对纤维表面
改性和添加相容剂都能有效地提高复合材料机械性能，
但是纤维表面改性工艺复杂，会使成本提高，而且也会
导致纤维强度下降，相容剂的加入也可能使基体本身的
力学性能降低，因此仅依靠纤维表面改性或添加增容剂
来提高复合材料的力学性能是有限度的。
而对于纤维增强型复合材料，纤维填料的分散、
取向以及与基体的界面相互作用都是影响复合材料机
械性能的关键因素。为了得到具有高取向度的复合材
料，一些新的特殊加工技术便应运而生，如推拉注射
成型;多浇道成型;气体辅助注射成型［7－11］。本文通
过在加工成型过程中施加往复的剪切应力以改善剑麻
纤维的分散使其在聚丙烯基体中形成取向结构［12－14］。
最终获得力学性能优异的剑麻纤维 /聚丙烯复合材料。
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塑 料 工 业 2013 年
1 实验部分
1. 1 主要原料
PP 粉料:宁夏宝塔公司;剑麻纤维:φ 40、60
μm，南京索沃科技有限公司;相容剂马来酸酐接枝
聚丙烯 (PP-g-MA)、抗氧剂 1010:工业级，市售。
1. 2 实验仪器
双螺杆挤出机:TSSJ225 /32，中蓝晨光化工研究
设计院有限公司;动态保压注塑成型机:自制;切粒
机:PQ-50 型，成都晨光塑料机械研究所;悬梁臂冲
击实验机:UJ-40，河北省承德市材料实验机厂;缺
口制样机:XQZ-1，承德市金建检测仪器制造厂;电
子显微镜 (SEM) :Inspect F，美国 Fei公司;电子万
能试验机:Instron 5567 型，美国 Instron 公司。
1. 3 试样制备
剑麻纤维分子中含有大量的亲水性羟基，易吸
湿，并导致在加工过程中发泡，因此使用前应在 80
℃下充分烘干。聚丙烯 /剑麻纤维共混物，首先采用
同向双螺杆挤出机熔融共混造粒，螺杆转速 90 r /
min，从料筒到口模温度依次为 160、180、190、190
和 185 ℃。经过常规的挤出过程后，将剑麻纤维 /聚
丙烯共混物经注塑机熔融塑化后注射进入模具型腔，
同时施加动态剪切应力场。其作用方式为两个活塞同
向往复运动使共混物熔体在型腔内往复流动，直至熔
体完全冷却为止。动态保压成型装置及试样尺寸见
图 1。
图 1 动态保压注射成型装置示意图
Fig 1 Dynamic packing injection molding apparatus
1－喷嘴;2、10－注口;3、9－活塞;4、8－流道;
5、7－连接部;6－型腔
1. 4 性能测试与表征
拉伸性能:按 GB /T 1040—1992 测试;冲击强
度:按 GB /T 1843—1993 测试;结晶熔融:采用 Per-
kin-Elmer 的 diamond-DSC 进行测试;样品形貌:经
液氮淬断后扫描电镜观测。
2 结果与讨论
2. 1 剑麻纤维含量对复合材料力学性能的影响
一般来说，纤维填料含量的增加能够提高复合材
料的拉伸强度。图 2 和图 3 是样条的拉伸强度和拉伸
模量随剑麻纤维含量增加而变化的情况。从图中可以
看到，随着剑麻纤维含量的增加，动态样条和静态样
条的拉伸强度和拉伸模量都有一定的提高，只是提高
程度不同。当剑麻纤维质量分数为 20%时，动态样
条拉伸强度提高幅度明显大于静态样条 (静态样品
拉伸强度由 45 MPa提高到 50 MPa，提高 11%;动态
样品拉伸强度由 53 MPa 提高至 64 MPa，提高了
21%) ，这是由于施加剪切力场作用，使纤维分散得
更加均匀，沿平行流动方向取向更加明显;同时剪切
作用也提高了剑麻纤维与聚丙烯基体之间界面的相互
作用，因此拉伸强度提高明显［15］。而当剑麻纤维含
量增加至 30%时，由于剑麻纤维体积分数过大，造
成熔体黏度变大，流动性变差，使剪切力场作用不明
显，所以动态样条拉伸强度提高趋于平缓。
图 2 剑麻纤维含量对材料拉伸强度的影响
Fig 2 Effect of sisal fiber on tensile strength of SF /PP
composites
图 3 剑麻纤维含量对复合材料拉伸模量的影响
Fig 3 Effect of content of sisal fiber on the tensile modulus
of composites
图 4 为随着剑麻纤维含量的增加，样品冲击强度
的变化。从图中可以发现，仅加入 10%剑麻纤维时，
动态样条和静态样条的冲击强度都明显下降，而后随
剑麻纤维含量的增多，冲击强度进一步下降。这是因
为剑麻纤维主要由具有刚性的纤维素大分子链组成，
当其加到基体中，因为纤维素分子本身链段不容易发
生运动，在外力作用时，不能依靠改变构象来吸收冲
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第 41 卷第 6 期 韩宋佳，等:剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的制备与性能研究
击能量，反而会随着纤维含量的增加，加剧凝聚，增
大了纤维引起的应力集中，导致产生缺陷的几率大大
增加，所以，材料的冲击强度会随纤维含量的增加而
下降。但我们仍然可以发现，虽然随着剑麻纤维含量
的增加，复合材料冲击强度都呈下降趋势，但同等纤
维含量的条件下，有剪切作用的动态样条冲击强度仍
远高于静态样条。
图 4 剑麻纤维含量对复合材料冲击强度的影响
Fig 4 Effect of sisal fiber content on impact strength of
SF /PP composites
2. 2 剑麻纤维 /聚丙烯复合材料的结晶性质
a－熔融曲线
b－结晶曲线
图 5 剑麻纤维 /聚丙烯复合材料的 DSC结晶熔融曲线
Fig 5 DSC crystallization curves of SF /PP composites
研究表明，在聚丙烯中加入的无机填料一般都会
产生异相成核作用，如云母、硅灰石、CaCO3 等，由
于非均相成核作用，提高了成核速度，且可在较高温
度下成核，因而提高了结晶速率，使整个结晶过程时
间缩短，晶粒变小，分布变窄。从图 5 中可以看出，
随着剑麻纤维的加入，样品的熔融峰面积减小，但不
同含量的剑麻纤维复合材料熔融峰面积变化不大，样
品熔点的变化也不明显。但随着剑麻纤维的加入，复
合材料的结晶峰向高温方向偏移，过冷度下降，而且
都高于纯 PP，结晶温度较纯聚丙烯提高了 3 ～ 5 ℃。
这是由于剑麻纤维的加入，导致了异相成核效应，提
高了基体的成核速率和温度，使整个结晶过程的时间
变短，晶粒变小，分布变窄从而提高了复合材料的力
学性能［16］，同时使剑麻纤维增强聚丙烯复合材料的
成型周期以及能量消耗均低于纯料 PP。
2. 3 样品的表面形貌
a－动态样品 b－静态样品
图 6 剑麻纤维 /聚丙烯复合材料的 SEM图
Fig 6 SEM morphology of SF /PP composites
图 6 为样品断面结构的低放大倍数的 SEM 图。
由图 6 可以发现，静态样条的断面有许多纤维被拔
出，拔出纤维后留下的孔洞也比较光滑，表明虽然加
入了相容剂 PP-g-MA，但是纤维与基体界面的结合仍
然较弱。观察动态样条断面发现，动态样条断面上的
剑麻纤维被拔出的较少，长度较短，孔洞的表面比较
粗糙，说明纤维与基体结合紧密。这是因为在动态剪
切过程中，动态样条基体中的 PP-g-MA 和剑麻纤维
表面的羟基在往复运动的剪切流动场中有更多的机会
结合，所以纤维与基体的结合作用更强。而静态样条
是通过直接充模冷却制得，因此在冷却的过程中 PP-
g-MA随机分布，只有一部分能够和纤维接触，起到
提高基体和纤维界面结合的作用。同时可以发现，动
态样条中剑麻纤维分散均匀，且伸出方向垂直于断面
方向，这说明样条中纤维取向比较明显，而静态样条
中纤维分散不均匀，伸出方向各异，说明纤维的取向
度不高。由于剪切作用提高了剑麻纤维在基体中的分
散和取向程度，因此动态样条的力学性能会比静态样
条有明显的提高。
3 结论
1)在聚丙烯体系中加入剑麻纤维作为增强填
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塑 料 工 业 2013 年
料，可使材料的拉伸强度有明显的提高，但同时材料
的冲击性能有所降低。
2)剑麻纤维的加入对聚丙烯基体有异相成核的
作用，随着纤维含量的增加，复合材料的结晶温度
升高。
3)通过在熔体冷却过程中施加剪切力，可以提
高复合材料取向度，改善剑麻纤维与基体的界面相互
作用，从而制备出拉伸强度与冲击强度都明显高于传
统工艺制备的复合材料。
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(本文于 2013－03－18 收到)
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