改性木粉/PVC復合材料的制備與性能研究

劉麗，任秀艷，吳廣峰

(長春工業(yè)大學 化學工程學院，長春 130012)

聚氯乙烯(PVC)是當前世界重要的通用塑料之一，它是生產(chǎn)塑料管材，電線，門窗框架及建筑板材等的主要材料。近年來，木粉增強PVC復合材料因其具有較好的機械性能、抗潮濕、抗真菌和可循環(huán)利用等特點而被廣泛研究[1]。

木粉/PVC復合材料研究的熱點之一是解決木粉和PVC基體的兩相相容性問題。由于木粉表面帶有大量極性羥基基團，具有很強親水性，與疏水性聚和物基體間的界面相容性差。因此，改善木塑兩相的界面相容性成為提高復合材料機械性能的關鍵因素。目前對相容性的改善方法主要有加入偶聯(lián)劑[2-4]、相容劑[5]和木粉表面改性[6]等方法。本文利用在水相中熒光燈照射下對木粉表面進行PMMA接枝改性的方法，有效改善木粉/PVC復合材料的力學性能，為解決木塑兩相的界面相容性問題提供了有效途徑。

1 實驗

1.1 試驗原料

聚氯乙烯(PVC)：SG-5，四平昊華化工有限公司；松木粉：60目，滕州市鵬程木粉有限公司；甲基丙烯酸甲酯(MMA)、過硫酸鉀(KPS)和丙酮：分析純，北京化學試劑公司；三鹽基硫酸鉛、硬脂酸鈣、ACR和KM355均為市售。

1.2 木粉的改性

在裝有攪拌裝置、冷凝管和氮氣導管的三口燒瓶中裝入一定量的去離子水和引發(fā)劑(KPS)。待KPS溶解之后，再將一定量的未處理的木粉浸入燒瓶內(nèi)，攪拌使木粉與KPS水溶液充分接觸，并通氮除氧10min。之后用40W熒光燈照射反應體系30min。將反應溫度升至60℃，并開始向反應體系內(nèi)滴加接枝單體MMA(KPS/MMA=2wt%)，滴加完畢后繼續(xù)反應3h。將產(chǎn)物倒出抽濾并干燥。將干燥后的產(chǎn)物置于充足的丙酮溶劑內(nèi)回流4h，并趁熱過濾以除去接枝反應中形成的PMMA均聚物，將得到的改性木粉烘干至恒重，封好備用。

1.3 試樣制備

由PVC樹脂100份、熱穩(wěn)定劑3份、硬脂酸鈣2份，ACR和KM355分別為2份和10份配成基本原料，經(jīng)過高速攪拌機充分混合后備用。

將改性木粉和上述基本原料按照5/95、15/85、25/75、35/65和45/55的比例混合均勻，在SK-160B型雙輥開煉機上于170℃混煉后，在XLB型平板硫化機上壓片，溫度180℃，預熱10min后熱壓3min，繼續(xù)冷壓至室溫脫模，裁切成標準試樣用于性能測試。

1.4 表征與測試

紅外光譜：在Nicolet公司的Avatar R360型紅外光譜以上分別測定木粉和改性木粉的紅外光譜，樣品通過與KBr壓片方法制備。

拉伸性能：按照GB/T1040-1992塑料拉伸試驗方法，裁制樣條(尺寸為長35 mm、寬4 mm、厚1 mm)進行測試。

沖擊性能：按照GB1843-80塑料懸臂梁型沖擊試驗方法，測試了缺口試樣的沖擊消耗功，并計算得到試樣的沖擊強度。

SEM分析：將試樣在液氮下淬斷，表面噴金處理，用JSM-5500LV型掃描電鏡觀察斷面木粉形態(tài)及分散情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性木粉的紅外表征

為了表征木粉表面接枝后的結(jié)構(gòu)變化，對木粉及改性木粉進行了紅外光譜測試。圖1為兩種木粉的紅外光譜圖。圖中可見，a為未處理木粉的譜圖，b為接枝PMMA的木粉的譜圖，二者相比發(fā)現(xiàn)，接枝后木粉在1734 cm-1處出現(xiàn)一較強的吸收峰，為酯羰基(–C=O)的吸收峰，同時3400 cm-1附近羥基(–OH)的吸收峰變小，這說明了通過接枝反應在木粉表面上部分接枝了PMMA鏈。

圖1 木粉(a)及改性木粉(b)的紅外光譜圖Fig.1 FTI Rspectra of wood-flour(a)and modified wood-flour(b)

木粉表面接枝MMA的反應機理如下：

2.2 改性木粉對拉伸性能的影響

圖2為不同含量的木粉和改性木粉對木塑復合材料拉伸強度影響。從圖中可見，含有改性木粉的復合材料的拉伸強度較高。這是因為未經(jīng)處理的木粉的表面帶有大量的羥基，它和PVC樹脂基體的相容性差，拉伸強度較低；當木粉表面接枝了PMMA之后，PMMA分子鏈通過化學鍵連接在木粉的表面，PMMA鏈段和PVC基體能夠很好的相容，有利于改性木粉在PVC基體中均勻分散，能夠?qū)ν饬λ┘拥妮d荷進行傳遞，所以復合材料的拉伸性能有所提高。除此之外，隨著木粉含量的增加，復合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先升高再下降的趨勢。這說明了適量的木粉會對材料起到增強的作用，提高材料抵抗斷裂的能力，但木粉的繼續(xù)增加會因為PVC基體與木粉填充物復合界面相容性不理想導致材料的拉伸強度和模量都有所降低。

圖2 木粉及改性木粉/PVC復合材料的拉伸強度與木粉含量關系Fig.2 Variation of tensilestrength of WF/PVC and modified WF/PVC with WF content

2.3 改性木粉對沖擊性能的影響

圖3為不同含量的木粉和改性木粉對木塑復合材料缺口沖擊強度的影響。圖中可見，隨著復合材料中木粉含量的增加，其缺口沖擊強度降低，并且改性木粉復合材料的沖擊強度較高。這是因為，木粉的加入增加了材料的剛性，同時使材料變脆，從而使缺口沖擊強度下降。但是木粉改性后會使材料的沖擊強度有所提高。對于固定的木粉含量(15 wt%)，復合材料的沖擊強度由4.24 KJ/m2提高到5.07 KJ/m2，提高了19.6%。根據(jù)兩相界面復合理論[7]，界面間的孔隙和裂紋是應力集中點，是影響材料性能的主要原因之一。在木粉表面接枝PMMA能夠更有效的改性木粉和PVC樹脂基體之間的粘結(jié)，有利于對載荷的傳遞，改善了兩相的界面相容性，提高材料的沖擊性能。

圖3 木粉及改性木粉/PVC復合材料的沖擊強度與木粉含量關系Fig.3 Variation of Izodim pactst rength of WF/PVC and modified WF/PVC with WF content

2.4 木粉/PVC復合材料的SEM分析

圖4為木粉/PVC復合材料斷面SEM形態(tài)。圖中可見，(a)中改性木粉在PVC基體中分散較均勻，團聚顆粒較少，PVC基體與改性木粉界面融合較緊密，相容性較好；(b)中未經(jīng)改性的木粉在PVC基體內(nèi)出現(xiàn)較明顯的團聚現(xiàn)象，且木粉與PVC界面出現(xiàn)明顯裂縫，相容性不好。

3 結(jié)論

通過水溶液中表面接枝PMMA的方法對木粉表面進行改性，紅外光譜顯示了木粉表面引入了PMMA鏈；制備了改性木粉/PVC復合材料，與未處理木粉體系進行比較顯示其拉伸強度和沖擊強度均有較大提高；SEM電鏡顯示改性木粉與PVC基體的界面粘結(jié)緊密，復合體系相容性好。

圖4 改性木粉/PVC(a)和木粉/PVC(b)復合材料斷面SEM形態(tài)Fig.4 SEM micrograph soffra cturesur faces of modified WF/PVC and WF/PVC

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