LDPE－g－GMA增容LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料研究

李季 馮鈉 楊亮 王曉鵬 王達(dá)

（大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連，116034）

低密度聚乙烯（LDPE）泡沫塑料具有良好的力學(xué)性能、隔熱性、電絕緣性，且無(wú)毒無(wú)臭，低溫性能較佳［1］，被廣泛應(yīng)用于建筑、包裝、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，但LDPE發(fā)泡后的制品存在一定的缺陷，如柔軟性高、比強(qiáng)度低、阻燃性能差等，應(yīng)用范圍受到了限制［2］。

木質(zhì)素具有良好的阻燃性及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，且可降解，密度小，作為填料填充LDPE制備復(fù)合發(fā)泡材料時(shí)，可將其固有的特性移植到泡沫材料中，得到性能優(yōu)良且成本低廉的材料［3］。由于木質(zhì)素含有強(qiáng)極性羥基，存在分子內(nèi)和分子間氫鍵作用，屬于極性高分子材料，與不同的高分子聚合物共混，相容性有很大差異，需要對(duì)兩者的相容性進(jìn)行改善。添加適當(dāng)?shù)脑鋈輨┦歉纳乒不祗w系相容性、提高共混材料力學(xué)性能簡(jiǎn)單有效的方法之一［4］。

下面以LDPE接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯（LDPE－g－GMA）作為增容劑，探討了 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料界面改性作用，并研究了LDPE－g－GMA用量對(duì)LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料及設(shè)備

LDPE，18D，黑龍江大慶石化公司；木質(zhì)素，山東龍力生物科技有限公司；LDPE－g－GMA，接枝率為0.74%，熔體流動(dòng)速率為1.459g／10min（190 ℃，2.16kg），自制；偶氮二甲酰胺（AC），北京偶合科技有限公司；過(guò)氧化二異丙苯（DCP），化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氧化鋅（ZnO），分析純，市售；鈦酸酯偶聯(lián)劑，JN－2，常州市吉耐助劑有限公司；石蠟，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑廠。

開(kāi)放式塑煉機(jī)，SK－160B，上海思南橡膠機(jī)械有限公司；平板硫化機(jī)，QLB－50D／Q，無(wú)錫市中凱橡塑機(jī)械有限公司；萬(wàn)能制樣機(jī)，XQZ－1，承德市考思科學(xué)檢測(cè)有限公司；微機(jī)控制電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，RGT－5，深圳市瑞格爾儀器有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)，RXJ－50，深圳市瑞格爾儀器有限公司；掃描電鏡（SEM），JSM－6460LV，日本電子株式會(huì)社。

1.2 試樣制備

分別采用未處理木質(zhì)素和偶聯(lián)劑處理木質(zhì)素（M－木質(zhì)素）為填料，LDPE－g－GMA 為增容劑，與LDPE，AC，ZnO，DCP按照一定質(zhì)量比混合均勻，于110℃熔融塑煉240s后進(jìn)行模壓發(fā)泡，模壓發(fā)泡的溫度、時(shí)間、壓力分別為170 ℃，10min，10 MPa，室溫冷卻，裁成標(biāo)準(zhǔn)樣條進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試與表征。

研究LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料界面相互作用時(shí)，材料編號(hào)見(jiàn)表1。

表1 LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的編號(hào)

研究LDPE－g－GMA用量對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料性能與泡孔形態(tài)的影響時(shí)，材料配方及編號(hào)見(jiàn)表2。

表2 LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料配方及編號(hào) 質(zhì)量份

1.3 性能測(cè)試

表觀密度按照GB／T 6343—2009進(jìn)行測(cè)試；拉伸強(qiáng)度按照GB／T 1040—2006進(jìn)行測(cè)試；彎曲強(qiáng)度按照GB／T 9341—2008進(jìn)行測(cè)試；沖擊強(qiáng)度按照GB／T 1843—2008進(jìn)行測(cè)試。

1.4 結(jié)構(gòu)表征

SEM分析：將泡沫材料樣條在液氮中冷凍30min，然后脆斷，噴金，用SEM觀察其斷裂面，工作電壓10kV，并利用Nano－measure測(cè)繪軟件測(cè)定SEM照片中泡孔的平均直徑及泡孔分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 LDPE－g－GMA增容LDPE／木質(zhì)素復(fù)合材料

2.1.1 LDPE－g－GMA對(duì)復(fù)合材料性能影響

表3是LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料性能的影響。

表3 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／木質(zhì)素復(fù)合材料性能影響

從表3可以看出，LDPE－g－GMA的加入，有效降低了LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的表觀密度。對(duì)于LDPE／未處理木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料，表觀密度較大，為0.579g／cm3，加入 LDPE－g－GMA 后，表觀密度降低。對(duì)于LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料，木質(zhì)素經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑處理，使得泡沫材料的表觀密度較LDPE／未處理木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料有較為明顯的降低，當(dāng)加入LDPE－g－GMA后，表觀密度降低明顯，下降至0.498g／cm3，表明了LDPE－g－GMA和偶聯(lián)劑均能使復(fù)合材料的發(fā)泡性能有所提高，二者配合使用時(shí)效果最佳。

由表3還可以看出，隨著泡沫材料表觀密度的降低，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度均有所減小，但沖擊強(qiáng)度反而增加。有LDPE－g－GMA的LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料，沖擊強(qiáng)度最高，達(dá)到6.80kJ／m2。這是由于增容劑 LDPE－g－GMA中存在反應(yīng)活性較高的環(huán)氧基團(tuán)，易與木質(zhì)素表面的羥基發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵［5］，偶聯(lián)劑的親無(wú)機(jī)基團(tuán)與親有機(jī)基團(tuán)分別作用于木質(zhì)素和LDPE，單獨(dú)使用鈦酸酯偶聯(lián)劑或LDPE－g－GMA時(shí)，均能改善LDPE與木質(zhì)素的相容性，當(dāng)配合使用時(shí)，效果最佳。木質(zhì)素分散性的提高，改善了LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的發(fā)泡性能，使吸收沖擊能量的泡孔增多，沖擊強(qiáng)度增加。

另外，隨著 LDPE－g－GMA的加入，使得復(fù)合泡沫材料的比強(qiáng)度提高，有 LDPE－g－GMA 的LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料比強(qiáng)度提高最多，從最低值10.42MPa／（g·cm－3）增加至11.07 MPa／（g·cm－3），證明了LDPE－g－GMA和偶聯(lián)劑使LDPE與木質(zhì)素間界面相互作用提高，泡沫材料的性能得到改善。

2.1.2 LDPE－g－GMA對(duì)復(fù)合材料泡孔形態(tài)影響

圖1是LDPE／木質(zhì)素復(fù)合材料SEM照片。

從圖1可以看出，圖1（a）的泡孔形狀各異、大小不一，少量較大的泡孔鑲嵌在眾多較小泡孔中，且有合并現(xiàn)象。圖1（b）的泡孔數(shù)量增加，分布均勻，孔徑減小。圖1（c）中出現(xiàn)少量較大泡孔鑲嵌在眾多較小泡孔中的現(xiàn)象。當(dāng)加入LDPE－g－GMA后，圖1（d）的泡孔尺寸略有增加，泡孔平均直徑增大，分布均勻，且為閉孔泡沫結(jié)構(gòu)，發(fā)泡性能提高。

2.2 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素性能影響

2.2.1 LDPE－g－GMA用量對(duì)材料表觀密度影響

圖2是LDPE－g－GMA用量對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料表觀密度的影響。

圖2 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素表觀密度影響

由圖2可以看出，隨著LDPE－g－GMA用量的增加，LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的表觀密度呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)。當(dāng)LDPE－g－GMA用量為4份時(shí)，表觀密度值最小，為0.533g／cm3。

2.2.2 LDPE－g－GMA用量對(duì)材料力學(xué)性能影響

表4是LDPE－g－GMA用量對(duì) LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料力學(xué)性能的影響。

表4 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素性能影響

由表4可知，LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度均先減小后增加，與材料表觀密度的變化趨勢(shì)相同。

圖3是LDPE－g－GMA用量對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料比強(qiáng)度的影響。

圖3 LDPE－g－GMA對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素比強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出，LDPE－g－GMA的加入使得LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的比強(qiáng)度有所提高，比強(qiáng)度值隨著LDPE－g－GMA用量的增加呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì)，過(guò)量的LDPE－g－GMA對(duì)LDPE與木質(zhì)素相容性的改善及泡沫塑料性能的提高無(wú)益。

2.2.3 LDPE－g－GMA用量對(duì)材料形態(tài)影響

圖4是LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的SEM照片。

由圖4可以看出，不同用量LDPE－g－GMA的泡沫材料均呈現(xiàn)出少量較大的泡孔鑲嵌在眾多較小泡孔中，且為閉孔的泡沫結(jié)構(gòu)。另外，試驗(yàn)表明，隨著 LDPE－g－GMA 用量的增加，LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的泡孔平均直徑先增加后減小，最大值達(dá)到70.06μm。

圖4 LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料SEM照片

3 結(jié)論

a）LDPE－g－GMA可以有效改善LDPE與木質(zhì)素間的界面相互作用，使LDPE／木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的發(fā)泡性能提高，表觀密度下降，泡沫材料的泡孔均勻細(xì)密。

b）LDPE－g－GMA用量對(duì)LDPE／M－木質(zhì)素復(fù)合泡沫材料的性能和泡孔形態(tài)有很大的影響，LDPE－g－GMA的用量存在最佳值，過(guò)少或過(guò)多均對(duì)泡沫材料性能的提高無(wú)益。當(dāng)LDPE－g－GMA用量為4份時(shí)，比強(qiáng)度達(dá)到最大值10.96MPa／（g·cm－3），表觀密度為0.533g／cm3，此時(shí)泡孔均勻，且為閉孔泡沫結(jié)構(gòu)，綜合性能較為優(yōu)異。

［1］廖華勇，陶國(guó)良.高密度聚乙烯／低密度聚乙烯共混材料的模壓發(fā)泡［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2013，29（7）：131－134.

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［5］李躍文，陳興華，歐陽(yáng)杰，等.GMA和共單體對(duì)聚乙烯木塑復(fù)合材料的直接反應(yīng)增容［J］.高分子學(xué)報(bào)，2012，（6）：621－626.