高發(fā)泡倍率聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的研究

胡圣飛，陳祥星，李 慧，胡 偉，朱賢兵

（湖北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

大量泡孔的存在能有效解決聚丙烯木塑復(fù)合材料在密度、韌性及沖擊性能方面的不足［1］.目前對于聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的研究并不是很多，主要集中在木粉加入后PP發(fā)泡材料在發(fā)泡機理及材料性能等方面的變化：Andrzej K 等［1－3］對比了放熱型、吸熱型、復(fù)合型三類發(fā)泡劑對聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的發(fā)泡結(jié)果，發(fā)現(xiàn)放熱型對應(yīng)的發(fā)泡效果最好，而吸熱性最差，這與純聚丙烯發(fā)泡剛好相反；Zhang Shuwen等［4］發(fā)現(xiàn)木粉攜帶的水分將會惡化復(fù)合材料的泡孔結(jié)構(gòu)，這是因為水很難溶于非極性的熱塑性熔體中，而是趨向于聚集在一起，發(fā)泡時會蒸發(fā)成氣體，進而導(dǎo)致大泡孔的生成，但如果對木粉進行表面處理或熱干燥，遺留在母料中的少量水分聚集現(xiàn)象不嚴(yán)重，其不僅可充當(dāng)二級發(fā)泡劑，而且有利于發(fā)泡.王大偉［5］發(fā)現(xiàn)隨著木粉量的增加，材料的吸收率、拉伸模量均呈增加趨勢，而彎曲強度則是呈下降趨勢.為進一步豐富該方面的研究，本實驗對制備得到的高發(fā)泡倍率聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的密度、泡孔形態(tài)、吸水性能進行了全面研究，期望找出發(fā)泡劑添加量、木粉添加量對這些性能的影響規(guī)律.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚丙烯（PP），T30s，中國石油大慶石化公司；鋁酸酯偶聯(lián)劑，江蘇天揚化工廠；助交聯(lián)劑三烯丙基異三聚氰酸酯，TAIC，宿州市谷氏化工有限公司；偶氮二甲酰胺（AC）、氧化鋅（Zn O）、滑石粉、過氧化二異丙苯（DCP）、木粉、二甲苯，市售.

1.2 實驗過程

將木粉在烘箱內(nèi)以110℃干燥6 h以上，以保證木粉的含水率低于1%；結(jié)束后取出趁熱與鋁酸脂偶聯(lián)劑在高速混合機（RT－02，永康市屹立工具有限公司）內(nèi)混合2 min；處理后的木粉與PP樹脂及AC、DCP等其他助劑在雙輥開煉機（SXK－160BX620，福建永春輕工機械廠）上混煉，溫度控制在160～165℃；混煉結(jié)束后，在熱壓機10 MPa、180℃下發(fā)泡30 min，釋壓、冷卻得到發(fā)泡材料.

1.3 性能測試

1.3.1 密度的測定 發(fā)泡材料的密度采用排水法測定.將實驗過程測定的試樣質(zhì)量mo、排出水的質(zhì)量m排通過式（1）計算即可得到材料的密度.未發(fā)泡的片材密度采用幾何法來測定，即將試樣制得規(guī)整長方體小塊，測定質(zhì)量m、長a、寬b、厚c，后用式（2）計算得出.發(fā)泡了的材料的含氣率則可通過式（3）計算得到：

1.3.2 泡孔形態(tài)的表征 對于發(fā)泡材料泡孔形態(tài)的表征是先將發(fā)泡試樣在液氮中冷凍脆斷，斷面表面進行噴金，然后采用掃描電子顯微鏡（JEOL，JSM6390LV）在幾個不同的放大倍數(shù)下觀察泡體的結(jié)構(gòu).加速電壓為15 k V.

1.3.3 吸水性能的表征 吸水率的測定參照GB 1034－1998標(biāo)準(zhǔn)進行.試樣被裁切為20 mm×20 mm×4 mm的長方體，先于烘箱中50℃干燥24 h，后在干燥器冷卻至室溫，稱量m0（精確至1 mg）.后按照圖1所示放置在水中48 h，水溫控制在（23±2）℃內(nèi)，結(jié)束后取出擦干表面附著水，在3 min之內(nèi)稱量m.最后按計算吸水率，每組樣重復(fù)3次，取其平均值為結(jié)果.

圖1 吸水率測定實驗裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑含量對發(fā)泡材料表觀密度的影響

AC發(fā)泡劑含量與聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料表觀密度的關(guān)系如圖2所示.

圖2 發(fā)泡劑量對聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料表觀密度的影響（木粉添加量為20份）

從圖中可以看出：在發(fā)泡劑量較小時，隨著發(fā)泡劑量的增加，發(fā)泡材料的密度幾乎呈直線下降，在15份時密度降至最低值0.079 6 g／c m3，隨著發(fā)泡劑的進一步增加，材料的密度忽然上升至0.145 0 g／c m3.這是因為：隨著發(fā)泡劑量的增加，分解生成的氣體量也隨之增加，因此材料的密度呈直線下降；但當(dāng)發(fā)泡劑的量超過一定量后，發(fā)泡劑分解生成的氣體超過了基體熔體對氣體的臨界包覆量，氣體將沖破泡孔壁，造成泡孔內(nèi)氣體的大量逃逸；另外，AC是放熱型發(fā)泡劑，其分解過程將放出大量的熱量，發(fā)泡劑量越多，分解釋放的熱量將更多，導(dǎo)致基體樹脂PP熔體強度的嚴(yán)重下降，使得熔體對氣體的臨界包覆能力反而不如AC含量少時的強，因此發(fā)泡材料的表觀密度反而更大［6］.

2.2 木粉添加量對發(fā)泡材料微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

如圖3所示，當(dāng)木粉添加量由10份增至20份時，材料的泡孔尺寸逐漸變大，泡孔尺寸分布也更加均一，泡孔形態(tài)更好.當(dāng)添加量達到30份時，材料就開始有并泡的出現(xiàn)，當(dāng)添加量進一步增加時，材料的并泡現(xiàn)象更加嚴(yán)重.出現(xiàn)該變化規(guī)律，可能是因為木粉添加量較少，發(fā)泡材料在開模時，泡孔迅速膨脹，木粉沿泡孔壁排列（圖4），而木粉的高結(jié)晶賦予其較強氣體阻隔能力，這使得材料對氣體的包覆能力得到提高，所以隨著木粉添加量的增加，泡孔的形態(tài)結(jié)構(gòu)反而更好.但木粉量增加到一定值后，木粉與基體樹脂的相容性問題逐漸凸顯出來，其結(jié)果就是直接導(dǎo)致泡孔壁破裂，從而導(dǎo)致泡孔合并形成并泡.另外，大量的木粉在熱加工過程極易發(fā)生團聚也是造成材料出現(xiàn)并泡的重要原因.

圖3 不同木粉添加量（相對于100份的）聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的SEM圖

圖4 木粉量為20份時聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料的SEM

2.3 木粉添加量對發(fā)泡材料表觀密度的影響

圖5 木粉添加量對發(fā)泡材料的密度、相對密度及未發(fā)泡片材密度的影響

圖5是不同木粉添加量的聚丙烯基木塑復(fù)合發(fā)泡材料發(fā)泡前密度及發(fā)泡后的密度、含氣率的變化圖.由圖可知：隨著木粉量的增加，發(fā)泡材料的密度呈現(xiàn)先降后升的趨勢，在添加量為20份時密度降至最低（0.079 55 g／c m3），木粉對發(fā)泡材料密度的影響可細(xì)分為兩部分.一部分是因為木粉與聚丙烯的密度不同，當(dāng)兩者比例變化后材料的密度也將隨之變化，對于該部分可由圖中未發(fā)泡片材密度－木粉添加量曲線反映出來，可以看出隨著木粉量的增加，片材密度隨之上升，在填充量為50份時未發(fā)泡片材的密度高達1.082 g／c m3，本實驗使用的聚丙烯的密度在0.9～0.91 g／c m3間，由此可推斷出木粉的密度應(yīng)該高于1.082 g／c m3，普通木材密度一般在0.4～0.7 g／c m3之間.造成該現(xiàn)象的原因是當(dāng)木粉的粒徑降至一定程度后，木材內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)遭到破壞，這使得木粉的密度反而上升［1］.另一部分是因為木粉加入后會影響發(fā)泡材料的泡孔形態(tài)，從而間接影響材料的密度，這部分影響可通過計算材料含氣率來表示的.從圖5發(fā)泡材料的含氣率－木粉添加量曲線可以看出，隨著木粉量的變化，曲線呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢，在添加量為20份時密度降至最低值（92.43%）.該變化規(guī)律與材料泡孔形態(tài)的變化規(guī)律（圖3）相對應(yīng).

2.4 木粉添加量對發(fā)泡材料吸水率的影響

圖6 木粉填充量及偶聯(lián)劑處理對發(fā)泡材料吸水率的影響

從圖6中可以看出，圖中所有曲線在150 h后均趨向某一恒定值——即材料的飽和吸水率，這說明所有試樣對水的吸收在150 h內(nèi)基本能完成.通過對比不同木粉添加量的飽和吸水率可知隨著木粉添加量增加，材料的吸收能力越強.當(dāng)木粉添加量為50份時，材料吸水率高達120.14%.這是因為材料中的木粉作為天然高分子材料，其表面存在有大量親水性－OH基團，這些基團很容易與水分子形成氫鍵，從而賦予材料很強的吸收能力.當(dāng)木粉量越多，相應(yīng)的極性基團也將越多，因此材料的吸收能力也就越強.

3 結(jié)論

通過模壓法可以制備泡孔均一的聚丙烯木塑發(fā)泡材料.隨著發(fā)泡劑量的增加，材料的密度先升后降，7.5份時降至最低值0.079 6 g／c m3.隨著木粉添加量的增加，材料的泡孔形態(tài)先是逐漸變好后逐漸變差，20份時最好.相應(yīng)材料的密度也是先降后升，20份時降至最低值0.079 56 g／c m3；然而材料的吸水率則是隨之持續(xù)增加，50份時高達120.14%.

［1］Andrzej K，Bledzki，Omar Faruk.Injection moulded micr ocellular wood fibre– polypropylene co mposites［J］.Co mposites：Part A ，2006，37：1 358－1 367.

［2］Andrzej K，Bledzki，Omar Far uk.Microcellular injection molded wood fiber– PP composites：part I effect of chemical foaming agent content on cell morphology and physico－mechanical properties［J］.Jour nal of cellular plastics，2006，42（63）：63－76.

［3］Andrzej K，Bledzki，Omar Far uk.Microcellular injection molded wood fiber–PP co mposites：part II effect of wood fiber length and content on cell morphology and physico－mechanical properties［J］.Jour nal of cellular plastics，2006，42：77－88.

［4］Zhang Shu wen，Rodrigue D，Ber nard Riedl.Preparation and morphology of polypropylene／wood flour composite foams via extrusion［J］.Poly mer Composites，2005，26：731－738.

［5］王大偉.聚丙烯／木粉發(fā)泡復(fù)合材料的制備與性能研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)圖書館，2007.

［6］劉 濤，張 薇，張師軍.高發(fā)泡倍率聚丙烯泡沫材料的研制［J］.合成樹脂及塑料，2005，22（6）：24－27.