MAPP—g—PEG增容聚丙烯木塑復(fù)合材料的研究

趙秀琴　向乾坤

摘要：為了增強(qiáng)木粉與聚丙烯間的相容性，改善木塑復(fù)合材料的性能，制備馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯接枝聚乙二醇（MAPP-g-PEG）作為增容劑添加到聚丙烯木塑復(fù)合材料中，考察增容劑對(duì)制備的木塑復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、缺口沖擊強(qiáng)度及吸水厚度膨脹率等指標(biāo)的影響，采用掃描電鏡觀察材料的斷面形貌。結(jié)果表明，添加MAPP-g-PEG增容劑后，木塑復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量升高，缺口沖擊強(qiáng)度增強(qiáng)，吸水厚度膨脹率降低。聚丙烯基體與木粉填料的界面結(jié)合緊密，且填料分散均勻，很好地改善了聚丙烯木塑復(fù)合材料的性能。

關(guān)鍵詞：木塑復(fù)合材料；增容劑；聚丙烯

中圖分類號(hào)：TQ321.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）07-1641-03

木塑復(fù)合材料（WPC）是采用木粉等植物纖維和聚丙烯、聚乙烯等熱塑性樹脂經(jīng)過(guò)混煉加工而制成的新型綠色環(huán)保材料[1-4]，它具有比木材更好的耐水性、耐久性、成型性，又具有比塑料更低的熱膨脹性和較自然的外觀，被廣泛用作臺(tái)面、扶手（欄桿）、建筑門窗框、與運(yùn)輸有關(guān)的用具（托盤）、公共設(shè)施材料等[5-9]。木粉中主要含有木質(zhì)素和纖維素，具有強(qiáng)極性，而聚丙烯（PP）幾乎沒(méi)有極性，如果不經(jīng)過(guò)處理，兩相間的粘結(jié)效果差。為了提高聚合物和植物纖維之間的界面粘結(jié)性能，改善兩者之間的相容性[10，11]，本研究制備并添加馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯接枝聚乙二醇（MAPP-g-PEG）對(duì)聚丙烯進(jìn)行改性，使其生成極性官能團(tuán)并具有流動(dòng)性，從而提高材料的界面粘合性。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

聚丙烯（PP），中國(guó)石油蘭州化工有限公司；馬來(lái)酸酐（MAH），分析純，天津市博迪化工有限公司；聚乙二醇（PEG），無(wú)錫市亞盛化工有限公司；抗氧劑（1010，168），工業(yè)級(jí)，上海高橋石化公司；對(duì)甲苯磺酸，工業(yè)級(jí)，常州市捷勝化工有限公司；二甲苯，分析純，上海潤(rùn)浩源實(shí)業(yè)有限公司；丙酮，分析純，青島宏泰化工國(guó)貿(mào)有限公司；無(wú)水乙醇，分析純，濟(jì)南豐源石油化工貿(mào)易有限公司。

主要儀器有電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（深圳新三思計(jì)量技術(shù)有限公司）、簡(jiǎn)支梁沖擊試驗(yàn)機(jī)（寧波璟瑞儀器儀表有限公司）、平行雙螺桿擠出機(jī)（昆山科信橡塑機(jī)械有限公司）、JSM-6330F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（日本電子株式會(huì)社）等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 增容劑的制備 在四口燒瓶中加入相同質(zhì)量的馬來(lái)酸酐和聚丙烯，并加入100 mL的二甲苯作溶劑，放置于恒溫油浴鍋內(nèi)加熱，加熱攪拌至其完全溶解。四口燒瓶抽真空后注滿氮?dú)?，然后利用恒溫滴液漏斗?次加入適量的過(guò)氧化苯甲酰。將溫度提升到120 ℃，在恒定的溫度和攪拌速率下回流反應(yīng)150 min得到黃色透明溶液。用丙酮作沉淀劑沉淀析出，抽濾、洗滌、烘干得到馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯。

稱取2 g左右的馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯和1.6 g聚乙二醇置于250 mL的圓底燒瓶中，加入100 mL二甲苯，用電熱套加熱溶解，溫度保持在130 ℃左右，加入0.1 g對(duì)甲苯磺酸，通入氮?dú)?，恒溫反?yīng)2 h后降溫到90 ℃，加入乙醇，使之充分沉淀，過(guò)濾，濾餅用真空泵抽濾后再用大量乙醇洗滌，最后放到烘箱中80 ℃烘干，制得MAPP-g-PEG增容劑備用。

1.2.2 聚丙烯木塑復(fù)合材料的制備 將木粉、聚丙烯及MAPP-g-PEG增容劑按表1的配方混勻，在高速混煉機(jī)中混煉3～5 min，然后在雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒，干燥后注塑成型，得到木塑復(fù)合材料，進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 參照《GB/T 17657-1999 人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》測(cè)定木塑復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度、彈性模量、缺口沖擊性能、吸水厚度膨脹率等指標(biāo)；用JSM-6330F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察樣品的斷面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 增容劑對(duì)木塑復(fù)合材料彈性模量和靜曲強(qiáng)度的影響

按不同配方制備木塑復(fù)合材料，測(cè)定其彈性模量和靜曲強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出，添加增容劑后木塑復(fù)合材料的彈性模量和靜曲強(qiáng)度較沒(méi)有添加增容劑的產(chǎn)品明顯提高。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，除未添加增容劑的處理外，增容劑用量相同時(shí)木塑復(fù)合材料的彈性模量和靜曲強(qiáng)度隨木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高；而木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，木塑復(fù)合材料的這兩項(xiàng)指標(biāo)隨增容劑用量的增加而升高。未加增容劑的體系中木粉和塑料間的相容性較差，制得的木塑復(fù)合材料力學(xué)性能也較差，加入增容劑后木粉與塑料間的界面粘接性能得到改善，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能提高[12]。

2.2 增容劑對(duì)木塑復(fù)合材料缺口沖擊強(qiáng)度的影響

缺口沖擊強(qiáng)度是評(píng)價(jià)材料韌性的重要指標(biāo)，圖3為按不同配方制備的木塑復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度。由圖3可知，未添加增容劑時(shí)，缺口沖擊強(qiáng)度隨木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，這是因?yàn)椴惶砑釉鋈輨r(shí)木粉與聚丙烯的界面相互作用較弱，導(dǎo)致受外界沖擊時(shí)界面處形成破壞性裂紋，致使缺口沖擊強(qiáng)度下降[13]。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，增容劑用量相同時(shí)材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增強(qiáng)；在木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的情況下，材料的缺口沖擊強(qiáng)度隨增容劑用量的增加而增強(qiáng)，這可能是因?yàn)镸APP-g-PEG的加入在復(fù)合體系間形成了具有柔韌性的中間相，增強(qiáng)了復(fù)合體系的韌性，因而體系的沖擊強(qiáng)度大大增強(qiáng)[14]。

2.3 增容劑用量對(duì)板材吸水厚度膨脹率的影響

由于吸水厚度膨脹率與被測(cè)板材的厚度有關(guān)，圖4中所列數(shù)據(jù)為4 mm厚不同木塑板材的吸水厚度膨脹率。從圖4可以看出，當(dāng)木塑復(fù)合材料中沒(méi)有增容劑存在時(shí)，由于聚丙烯與木粉之間的界面相互作用弱，水容易浸入木粉中而使得材料吸水膨脹，吸水厚度膨脹率很高，與普通的密度板差別不大。而加入增容劑的體系中，板材的吸水厚度膨脹率迅速降低，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)木塑復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率隨增容劑用量的增大而降低；增容劑用量相同時(shí)材料的吸水厚度膨脹率隨木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而升高。

2.4 掃描電鏡檢測(cè)結(jié)果

圖5為加入MAPP-g-PEG增容劑前后木塑復(fù)合材料的斷面掃描電鏡圖。從圖5可以看出，添加了增容劑的木塑復(fù)合材料中聚丙烯基體與木粉填料的界面結(jié)合緊密，且填料分散均勻（圖5A）；而未加增容劑的木塑復(fù)合材料中填料分散不均勻，存在間隙（圖5B）。

3 小結(jié)與討論

MAPP-g-PEG增容劑可以提高聚丙烯木塑復(fù)合材料的相容性，共混體系的綜合性能可以得到較明顯的改善。添加增容劑后木塑復(fù)合材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度升高，缺口沖擊強(qiáng)度增強(qiáng)，吸水厚度膨脹率下降，聚丙烯基體與木粉填料的界面結(jié)合緊密，而且填料分散均勻，可見(jiàn)MAPP-g-PEG很好地改善了聚丙烯木塑復(fù)合材料的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] YEH S K， GUPTA R K. Improved wood-plastic composites through better processing[J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2008，39（11）：1694-1699.

[2] STARK N M， MATUANA L M. Characterization of weathered wood-plastic composite surfaces using FTIR spectroscopy， contact angle， and XPS[J]. Polymer Degradation and Stability， 2007，92（10）：1883-1890.

[3] AFRIFAH K， HICKOK R， MATUANA L. Polybutene as a matrix for wood plastic composites[J]. Composites Science and Technology，2010，70（1）：167-172.

[4] 伍 波，張求慧，李建章.木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（13）：62-64.

[5] SOURY E， BEHRAVESH A， ROUHANI ESFAHANI E， et al. Design， optimization and manufacturing of wood-plastic composite pallet[J]. Materials & Design，2009，30（10）：4183-4191.

[6] BENGTSSON M， GATENHOLM P， OKSMAN K. The effect of crosslinking on the properties of polyethylene/wood flour composites[J]. Composites Science and Technology， 2005，65（10）：1468-1479.

[7] ASHORI A. Wood-plastic composites as promising green-composites for automotive industries[J]. Bioresource Technology， 2008，99（11）：4661-4667.

[8] BENGTSSON M， OKSMAN K. Silane crosslinked wood plastic composites： Processing and properties[J]. Composites Science and Technology， 2006，66（13）：2177-2186.

[9] KAMDEM D P， JIANG H， CUI W， et al. Properties of wood plastic composites made of recycled HDPE and wood flour from CCA-treated wood removed from service[J]. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing，2004，35（3）：347-355.

[10] 雷 芳.POE-g-MAH在PP基木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2008，36（11）：49-51.

[11] 臧克峰，項(xiàng)素云，路 萍，等.MAH-g-PP及偶聯(lián)劑處理木粉填充PP的研究[J].中國(guó)塑料，2001，15（2）：71-73.

[12] 馮紹華，尹文艷，沈海燕，等.PP-g-MAH對(duì)聚丙烯（木塑）復(fù)合材料相容性的影響[J].塑料科技，2006，34（1）：1-4.

[13] 揣成智，李 樹，藺艷琴.聚丙烯/接枝木纖維復(fù)合材料相容性及性能的研究[J]. 中國(guó)塑料，2000，14（5）：23-28.

[14] 姜洪麗，李 斌.界面相容劑對(duì)PE-HD/木粉復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J]. 高分子材料科學(xué)與工程，2005，21（2）：204-207.