全 文 ：收稿日期： 652010-01-06
剑麻纤维/聚丙烯木塑复合材料的热氧老化性能研究
Study on Thermal-oxidative Aging Properties of Sisal
Fiber/Polypropylene Composites
基金项目：广西科技攻关项目（0992022-4）；广西自科基金项目(0991003Z, 0842003-4A)；
广西高校优秀人才资助计划(08817)
(1) 通讯联系人
Wpm/49!Op/5!)Tvn/327*
Bqsjm!!3121
刘 婷，陆绍荣(1)，王一靓，张晨曦，班建峰 Liu Ting, Lu Shaorong(1), Wang Yiliang, Zhang Chenxi, Ban Jianfeng
- 桂林理工大学有色金属材料及其加工新技术教育部重点实验室，广西 桂林 541004
- Key Laboratory of New Processing Technology for Nonferrous-Metals and Materials of Ministry of Education, Guilin University of Technology, Guilin
541004, China
摘　要 : 以剑麻纤维(SF)、聚丙烯(PP)为原料，经熔融共混、模压成型工艺制备木塑复合材料。探讨了SF/PP复合材
料的力学性能、热性能随老化时间和SF含量的变化规律，借助扫描电镜对复合材料老化前后的冲击断面进
行微观结构分析。结果表明：老化后复合材料的冲击强度、弯曲强度和弯曲模量随剑麻含量的增加而降低；
同时，复合材料中PP相的结晶速率、结晶度也有所降低，但复合材料的热稳定性基本没有变化。
Abstract : Taking polypropylene (PP) and sisal fiber (SF) as raw materials, SF/PP wood-plastic composites
were prepared by melt blending and compression moulding. The effects of thermal-oxidative
aging time and SF content on mechanical properties and thermal stability of the composites
were studied. The microstructure of impact fracture surface of the composites before and after
aging was analyzed by SEM. The results show that the impact strength, flexural strength and
flexural modulus of the composites decrease with the increase of SF content; meanwhile, the
crystallization rate and degree of crystallinity of PP decrease, while the thermal stability of the
composites is almost the same as before.
关键词 : 剑麻纤维；聚丙烯；木塑复合材料；热氧老化
Key words : Sisal fiber; Polypropylene; Wood-plastic composite; Thermal-oxidative aging
文章编号：1005-3360（2010）04-0065-04
近年来，木塑复合材料作为一种新型绿色环保
复合材料，越来越受到人们的关注。由于这类复合
材料兼具木材和塑料的双重特性，因而可广泛应用
于建筑、包装等行业，市场前景非常广阔[1-5]。但木
塑复合材料也同许多其他材料一样，在实际使用中
会受到环境条件（如温度、湿度、紫外光等）的影响，
导致其力学性能降低，使用寿命缩短[6-7]。
通常，人们采用模拟实际环境的方法来考察材
料性能随时间的变化规律，最常用的方法是进行加
速老化试验，这样既可以缩短试验时间，又可以保
证老化规律的真实性[8]。本文以剑麻纤维（SF）/聚
丙烯（PP）木塑复合材料为研究对象，测量其在热氧
老化前后性能的变化，并利用扫描电镜观察其老化
前后的冲击断面的微观形貌，这对于木塑复合材料
的开发具有指导意义。
1 实验部分
1.1 原料
SF，束状白色长纤，广西剑麻集团公司；
PP，T30S，湖南长盛石化有限公司；
PP-g-MAH、POE-g-MAH，实验室自制；
其他试剂，化学纯，市售。
1.2 仪器及设备
开放式塑炼机，SK -160B，上海第一橡胶机械厂；
平板硫化机，QLB-D 400×400×1，上海第一
橡胶机械厂；
万能制样机，TWZY-24，吉林泰和试验机有限
公司；
摆锤冲击试验机，JC-25，承德精密试验机有限
责任公司；
电子万能试验机，WDW-20，济南天辰试验机
制造有限公司；
电热鼓风干燥箱，101C-1，上海实验仪器厂有
限公司；
差示扫描量热仪，DSC204，德国NETZSCH公
理论与研究
文献标识码 : B中图分类号 : TQ325.14
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剑麻纤维/聚丙烯木塑复合材料的热氧老化性能研究
司；
热重分析仪，STA-449C，德国NETZSCH公司；
扫描电子显微镜，JSM-6380LV，日本JEOL公
司。
1.3 SF/PP木塑复合材料的制备
将50~80 mm的SF以质量分数分别为10%、
20%、30%、40%、50%与PP-g-MAH（5%）、POE-g-
MAH（10%）和轻质CaCO3（15%）加入到PP中，混合
均匀，在温度为185~195℃的开放式塑炼机上混炼
5~10 min，制成模塑料，然后装入模具，在模压温度
190℃，压力15 MPa，保温保压6~10 min后，制得木
塑复合材料。
在万能制样机上制成标准样条，将制得的试样
置于100℃的热氧老化试验箱中，每4 d取出1批样
条，备用。直到老化16 d后，试样全部取出。
1.4 性能测试及表征
冲击性能按GB/T 1043—1993进行测试，每组
试样5根，取平均值。
弯曲性能按GB/T 1449—2005进行测试，每组
试样5根，取平均值。
DSC分析：取粉末样品6~8 mg，N2气氛保护，以
20℃/min升温至220℃，使样品完全熔融，保持5 min
消除样品的热历史，然后按冷却速率10℃ /min降温
至50℃，再以20℃/min升温至220 ℃。
TG分析：取粉末样品6~8 mg，N2气氛保护，温
度扫描范围50~700℃，升温速率10℃ /min。
SEM分析：冲击断裂面表面喷碳，加速电压
20 kV。
2 结果与讨论
2.1 热氧老化时间对SF/PP复合材料力学性
能的影响
图1为热氧老化时间对SF/PP复合材料力学性能
的影响，其中SF含量为20%。由图1可见，随着老化
时间的延长，复合材料的力学性能降低。热氧老化
16 d后，其冲击强度由22.09 kJ/m2下降到17.98 kJ/m2，
保持率为81.39% ；弯曲强度和弯曲模量分别由
33.27 MPa、1.54 GPa下降到31.35 MPa、1.41 GPa，
保持率分别达94.23%、91.12%。这是因为：在热氧
作用下，PP既会发生交联反应，又会发生氧化降解
反应；同时，分子量的大小也是影响材料力学性能
的因素之一。在热氧老化初期，材料内部的PP分子
链以交联反应为主，PP和SF两相的运动使得材料
的相容性得到提高，暂时抑制了材料性能衰减的速
度，体现出冲击性能和弯曲性能下降缓慢。随着热
氧老化时间的延长，氧化降解反应超过交联反应，
降解速度也大大超过交联速度，使得PP发生无规降
解，导致分子量逐渐下降。因而材料的力学性能下
降，宏观上体现为冲击性能和弯曲性能急速下降。
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图1 热氧老化时间对SF/PP复合材料力学性能的影响
Fig.1 Effect of thermal-oxidative aging time on mechanical properties of
SF/PP composites
2.2 热氧老化对不同SF含量的SF/PP复合材
料力学性能的影响
图2显示出了不同SF含量的SF/PP复合材料热
氧老化16 d后力学性能的变化。由图2可见，老化
后的复合材料力学性能有所下降。其中当SF含量
为50%时，下降幅度最大，冲击强度由14.91 kJ/m2
下降到10.18 kJ/m2，保持率为68.28% ；弯曲强度和
弯曲模量分别由43.27 MPa、2.19 GPa下降到33.88
MPa、1.85 GPa，保持率分别为78.30%、84.17%。这
可能是由于当SF含量增大时，PP含量相对减小，两
者之间的相容性较差，且在热氧老化条件下，进一
步弱化了两相界面间的黏合力，导致复合材料的力
学性能保持率变差。
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图2 热氧老化对不同SF含量的SF/PP复合材料力学性能的影响
Fig.2 Effect of thermal-oxidative aging on mechanical properties of SF/
PP composites with different SF content
2.3 热氧老化对SF/PP复合材料热性能的影响
2.3.1 TG 分析
图3是SF含量分别为20%和40%的SF/PP复合
材料未老化和老化16 d后的TG曲线。由图3可知，
老化后的复合材料的初始分解温度和最大热分解
温度比未老化略低，但不明显。这可能是因为复合
材料经老化后，只是失去了其中的水分或是挥发了
小分子化合物。
100 200 300 400 500 600 700
0
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40
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(a) SF含量20%

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(b) SF含量40%
图3 SF/PP复合材料的TG曲线
Fig.3 TG curves of SF/ PP composites
2.3.2 DSC 分析
图4是未老化和老化16 d后的SF/PP复合材料
的DSC曲线，其中SF含量为20% ；DSC的分析结果
见表1。由图4和表1可见，热氧老化后复合材料的
起始熔融温度T m、熔点T mp（熔融峰温度）基本不变，
结晶温度T p（结晶峰温度）降低，说明热氧老化降低
了复合材料的界面相容性。过冷度△T（△T=T mp-T p）
增大，使结晶速率减慢，熔融热焓△H m减小，结晶度
随之下降，说明经热氧老化后复合材料的结晶性能
降低。
100 120 140 160 180 200
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(a) 加热曲线
80 100 120 140 160
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✝
(b) 冷却曲线
图4 SF/PP复合材料的DSC曲线
Fig.4 DSC curves of SF/PP composites
表1 SF/PP复合材料的熔融和结晶特性
Tab.1 Melting and crystallization properties of SF/PP composites
复合材料 Tm/℃ T mp/℃ T p/℃ △T /℃ △Hm/(J•g-1)
老化前 156.7 165.0 118.2 46.8 52.1
老化后 156.8 165.1 117.4 47.7 44.7
2.4 SF/PP木塑复合材料的微观结构
图5是SF/PP复合材料未老化和老化16 d后的
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剑麻纤维/聚丙烯木塑复合材料的热氧老化性能研究
扫描电镜照片。由图5可见，未老化的复合材料冲
击断面有撕裂的纤维，表面黏附着许多树脂，SF与
PP间的界面模糊，几乎看不清楚界面的形状，说明
纤维与树脂基体间的作用力大，界面黏结力较强，
相容性好。经老化后，复合材料中被拔出的纤维黏
附的树脂较少，且易弯曲折断，树脂基体中形成许
多微孔，降低了纤维与树脂的结合力。这是因为：
在复合材料的老化过程中，PP树脂发生了氧化降
解反应，相对分子量下降，随着老化时间的延长，降
解反应速率增大，从而导致其性能下降。
(a) 未老化
(b) 老化后
图5 SF/PP复合材料冲击断面SEM照片
Fig.5 SEM micrographs of impact fracture surface of SF/ PP composites
3 结论
（1）SF/PP复合材料经热氧老化后，SF纤维和
PP树脂间的界面相容性下降，导致复合材料的力学
性能下降，且随着老化时间的延长，复合材料的性
能下降越明显。同时，复合材料的初始热分解温度
和结晶度均略有下降。
（2）冲击断面微观结构分析表明：热氧老化使
PP树脂发生氧化降解反应，进而破坏SF纤维和PP
树脂基体的界面黏结，导致复合材料性能恶化。
参考文献:
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I.热氧老化[J]. 航空学报, 2000, 21(4): 62-65.
日研究者制成含塑料纤维的抗震混凝土
日本防灾科学技术研究所与东京工业大学合作，用
塑料纤维代替建筑材料里的碎石子，制成了新型混凝
土。实验显示，用这种混凝土建造的桥墩模型能够抵抗
相当于1995年阪神大地震1.5倍强度的巨大晃动。
东京工业大学的川岛一彦教授等的报告称，他们
将聚丙烯制成长度达12 mm、截面宽度为0.03 mm的纤
维，并将其按1.5％的比例掺入混凝土，建造了与实物体
积相同的桥墩模型。然后用振动台对桥墩模型进行了
晃动强度与阪神大地震相同的3次实验，然后又将振动
台的晃动强度提高到那次地震的1.5倍进行了3次实验。
结果发现，桥墩模型上除了出现10道细小的裂纹以外，
没有其他损伤。专家认为，这是由于混入聚丙烯纤维后，
混凝土的坚韧度增大，从而提高了拉伸强度。
天津百万吨聚乙烯炼化一体化项目
目前，中国石化天津百万吨聚乙烯炼化一体化工
程的各生产装置已全部准备就绪，进入投产倒计时。
中国石化天津百万吨聚乙烯炼化一体化项目总投资
二百六十八亿元人民币，中国首套拥有自主知识产权的
聚乙烯裂解气压缩机投入运转，聚乙烯上的“中国芯”
开始跳动。百万吨聚乙烯炼化一体化项目投料生产后，
各装置要在高温高压的状态下运行，任何一点疏漏都可
能使整个工程受到影响。截至目前的所有准备工作都
在为即将到来的大聚乙烯投料生产打下坚实的基础。
行 业 动 态