桐殼纖維的表面偶聯(lián)活化改性研究

劉敏毅

（福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建 福州 350118）

桐殼纖維的表面偶聯(lián)活化改性研究

劉敏毅

（福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，福建 福州 350118）

通過白油——桐殼纖維填充體系的小試實驗，模擬了桐殼纖維在不同偶聯(lián)劑表面改性處理后，與聚烯烴類樹脂的共混填充過程。通過實驗，為桐殼纖維作為聚烯烴類樹脂填料的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，降低改性試驗成本，為工業(yè)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

桐殼纖維； 表面偶聯(lián)

桐殼纖維可作為塑料、涂料等高分子材料的填充劑或添加劑，但由于具有纖維的固有結(jié)構(gòu)特征，表面仍以極性的羥基為主，與塑料、涂料制品的非極性基團之間相容性差，為制備高性能的桐殼纖維基木塑復(fù)合材料，必須對其進行表面改性。本文通過白油模擬PE熔體，測試桐殼纖維在白油中的粘度、沉降高度和沉降體積等，考察了填充量，偶聯(lián)劑用量，溫度對白油——桐殼纖維體系的影響，并模擬預(yù)測不同偶聯(lián)劑改性后的桐殼纖維在白油中的最大模擬填充量等。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

桐殼纖維（TK）：由寧德桐油公司提供，委托建陽木粉廠研磨加工，于110 ℃下烘干3h；十八醇（SA）：工業(yè)級；硬脂酸（OA）：工業(yè)級，天津市瑞金特化學(xué)品有限公司；稀土偶聯(lián)劑（WOT）：工業(yè)級，廣東煒林納功能材料有限公司；鋁酸酯（DL411）：工業(yè)級，福建師范大學(xué)高分子實驗廠；硅烷偶聯(lián)劑（A-143）：工業(yè)級，曲阜萬達化工有限公司。

旋轉(zhuǎn)粘度計：NDJ-7型，上海天平廠；精密增力電動攪拌器：JJ-1，深圳市國華電子有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：101型，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；高速捏合機：5L，南京日升塑機廠；傅立葉紅外光譜儀：AVATAR360型。

1.2 實驗

1.2.1 桐殼纖維的偶聯(lián)改性

稱取已烘干的桐殼纖維200 g，分別加入相當(dāng)于桐殼纖維質(zhì)量的0.5 %、1.0 %、1.5 %、2.0 %和3.0 %的偶聯(lián)劑，于高速捏合機中以900rad/min的速度進行高攪混合。當(dāng)溫度上升到110 ℃時，繼續(xù)高攪15 min，得到改性桐殼纖維。

1.2.2 改性桐殼纖維填充量模擬測定

于燒杯中稱取三份白油各50 g，分別加入10 g、20 g、30 g、40 g、50 g，改性桐殼纖維，攪拌均勻，加熱至140 ℃，停止加熱，繼續(xù)攪拌15 min，降至室溫，用旋轉(zhuǎn)型粘度計測其粘度。

1.3 表征

將混勻的B-TK體系加熱至140 ℃，停止加熱，繼續(xù)攪拌15 min，降至室溫，用旋轉(zhuǎn)粘度計測定體系粘度。在25 mL磨口量筒中，加入10 g改性桐殼纖維，加入白油至25 mL刻度處，上下震蕩30 min，靜置3h，記錄沉降體積。將2.5 g改性桐殼纖維分散于25 mL白油中，然后倒入磨口量筒，測量其相對沉降高度與時間的關(guān)系，直至平衡。

2 結(jié)果與討論

2. 偶聯(lián)劑用量對體系粘度的影響

圖1-1 桐殼纖維-白油體系粘度與偶聯(lián)劑用量關(guān)系

圖1-1為不同偶聯(lián)劑改性的桐殼的體系粘度變化。從圖1-1可以看出未改性的桐殼纖維體系粘度是665 mPa·s，而經(jīng)偶聯(lián)改性后，各體系粘度均明顯下降。這是因為未改性的桐殼纖維中含有大量的極性羥基，在有機介質(zhì)中容易聚集成團，與白油相界面張力較大，流體運動內(nèi)摩擦力大。經(jīng)偶聯(lián)劑改性后，桐殼纖維表面基團極性減弱，與非極性的白油分散介質(zhì)之間的界面能減小、親和性得到改善，流體內(nèi)摩擦力減小，流動性明顯增大，所以體系粘度降低［1］；但偶聯(lián)劑的用量超過某一限值時，過多的偶聯(lián)劑分子覆蓋在桐殼纖維表面，形成多分子層，易造成桐殼纖維與白油之間界面結(jié)構(gòu)的不均勻性，故體系粘度反而有所增大［2］。

綜合偶聯(lián)劑的成本和效益，A-143硅烷偶聯(lián)劑和WOT在用量為0.5 %時，體系粘度就降到了最低，達到較高的改性效果。幾種偶聯(lián)劑的改性效果順序分別為：A-143改性效果最佳，WOT和OA相當(dāng)，其次是DL411和SA。下表1-1為不同偶聯(lián)劑改性桐殼纖維在白油體系中的最佳用量。

表1-1 不同偶聯(lián)劑改性桐殼纖維在白油體系中的最佳用量

2.2 偶聯(lián)劑用量對沉降體積的影響

圖1-2 改變偶聯(lián)劑用量對桐殼纖維沉降體積的影響

圖1-2為改變偶聯(lián)劑用量對桐殼纖維沉降體積的影響。偶聯(lián)劑改性桐殼纖維在白油中的沉降體積隨著偶聯(lián)劑用量的增大而逐漸減小，DL411、WOT和A-143處理后的桐殼纖維沉降體積下降幅較大，對SA和OA而言，沉降體積變化情況相當(dāng)。

沉降體積反映了粒子在液體中的分散性［3］。未改性的桐殼纖維表面氫鍵使其分子之間的作用力大，桐殼纖維易于聚積，粒子之間因橋聯(lián)而留有較多孔隙，沉降時易形成疏松的沉積物，完全沉降時其沉降體積較大；而對桐殼纖維進行改性后，表面基團極性減弱，粒子之間作用力減弱，在液體中分散性好，則液體對粒子有較好的潤濕性，粒子間不易聚集和粘連，沉降時粒子排列堆積緊密，完全沉降時其沉降體積較小。故隨著偶聯(lián)劑用量的增大，桐殼纖維粒子的包覆越全面，相互之間作用力越小，在白油中分散效果越好，故表現(xiàn)為沉降體積隨偶聯(lián)劑用量增大而減小。

2.3 改性桐殼纖維填充量模擬測定

圖1-3 體系粘度與桐殼纖維填充量的關(guān)系

圖1-3為改變改性桐殼纖維填充量對體系粘度的影響。由圖1-3可以看出，隨著桐殼纖維的增加，體系粘度明顯上升，但未改性的桐殼纖維，其體系粘度比改性桐殼纖維體系粘度上升要快：對于未改性桐殼纖維體系，當(dāng)填充量達到白油質(zhì)量的30 %左右時，體系粘度開始明顯上升；而經(jīng)過偶聯(lián)劑改性的桐殼纖維則在白油質(zhì)量的44 %才開始明顯上升，這與偶聯(lián)劑用量對體系粘度影響的實驗結(jié)果相吻合，說明改性后桐殼纖維與白油的相容性增加，可以增大其在樹脂中的填充量［3］。通過改性桐殼纖維填充量模擬研究，得出經(jīng)過偶聯(lián)改性的桐殼纖維填充量約為50 %

3 結(jié)論

對桐殼纖維進行偶聯(lián)活化改性的研究發(fā)現(xiàn)：

通過白油——桐殼纖維填充體系的小試實驗，表明桐殼纖維與聚烯烴類樹脂的相容性均有一定程度的提高；且A-143硅烷偶聯(lián)劑和稀土偶聯(lián)劑改性的效果較好；通過對白油——桐殼纖維填充體系沉降體積的研究，表明經(jīng)偶聯(lián)劑改性的桐殼纖維在白油中比未改性桐殼纖維更易沉降；鋁酸酯偶聯(lián)劑、硬脂酸和A-143硅烷偶聯(lián)劑改性的桐殼纖維能在較短的放置時間內(nèi)有較大的沉降高度。通過改性桐殼纖維填充量模擬研究，得出經(jīng)過偶聯(lián)改性的桐殼纖維填充量約為50 %。

［1］張文治，章文貢，湯永艷.硅灰石粉的偶聯(lián)活化改性研究［J］.塑料，2005：34（1）：69-72.

［2］滕國敏，張勇，萬超瑛，等.木塑復(fù)合材料的界面改性方法［J］.化工新型材料.2005.33（5）：7-9.

［3］陸銀平，劉欽甫，牛勝元.硅烷偶聯(lián)劑改性納米高嶺土的研究［J］.非金屬， 2008，31（5）：9-11.

JB13147福建省教育廳中青年教師教育科研項目B類

TQ320.1

A

1003-5168（2015）11-051-02