自然氣候老化對木塑地板性能的影響

自然氣候老化對木塑地板性能的影響

沈洋1龔迎春1王云2黃偉2吳章康1

(1.西南林業(yè)大學(xué)材料工程學(xué)院，云南 昆明 650224；

2.西雙版納華坤生物科技有限責(zé)任公司，云南 西雙版納 666100)

摘要：以高密度聚乙烯(HDPE)和木粉(橡膠木粉或紅木粉)為主要原料，添加紫外線吸收劑(UV-531、UV-1)，擠出成型木塑地板，研究昆明與西雙版納兩地180 d自然氣候老化對其性能的影響。結(jié)果表明:自然氣候老化使木塑地板抗彎性能降低，高溫暴曬是主要原因之一；自然氣候老化使木塑地板表面顏色發(fā)生變化，添加和木粉原料相適應(yīng)的紫外線吸收劑可以有效提高木塑地板的表面色牢度；降雨量增大會提高木塑地板的吸水率，添加紫外線吸收劑有助于提升木塑地板的耐水性能。

關(guān)鍵詞：木塑地板；抗彎性能；色牢度；吸水率

中圖分類號：S781.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1914(2015)02-0100-05

Abstract:The high density polyethylene (HDPE) and the wood powder (rubber wood flour or annatto powder) are used as the main raw material for the study and added with 0.3% of UV absorbers (UV-531 or UV-1), extrusion molding them for PE based wood-plastic floor. 180 days observation was made for natural weathering effects on wood-plastic floor′s performance in Kunming and Xishuangbanna. The results showed that: The 180-day natural weathering reduce the wood-plastic floor′s bending performance， high temperature and exposure to the sun is one of the main reasons;The surface color changes with the Natural weathering exposure, adding proper UV absorber fitting with wood powder raw material can effectively improve the fastness of surface color in wood-plastic floor; The heavy rainfall will increase the water absorption rate of wood-plastic flooring， adding UV absorbers can enhance water resistance of wood-plastic flooring.

Keywords:wood-plastic flooring; bending performance; color fastness; water absorption rate

收稿日期：2014-11-02

基金項目：云南省教育廳科學(xué)研究基金一般項目(2013Y113)資助；功能型木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究項目(31261801)資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.018

Natural Weathering Effects on the Performance of

Wood-Plastic Flooring

SHEN Yang1，GONG Ying-chun1，WANG Yun2，HUANG Wei2，WU Zhang-kang1

(1.College of Material Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224,China；

2.Huakun Biotechnology CO.,Ltd., Xishuangbanna Yunnan 666100, China)

木塑地板是將生物質(zhì)纖維、塑料以及多種添加劑混合擠出、模壓或注射成型的一種新型復(fù)合材料[1]。近年來，木塑地板因其顯著的經(jīng)濟和環(huán)保優(yōu)勢在我國取得了重大發(fā)展契機，木塑地板產(chǎn)業(yè)日新月異[2]。然而，由于基本配方、加工方法和使用環(huán)境的影響，木塑復(fù)合材料(wood-plastic composite，WPC)會在一定時間的持續(xù)老化作用下，發(fā)生表面褪色和力學(xué)性能退化的現(xiàn)象[3-4]。Tascioglu C等[5]研究了自然氣候條件下木塑復(fù)合材料耐久性能的變化，國內(nèi)也有相關(guān)研究[6-10]；Fabiyi J S等[11]發(fā)現(xiàn)木粉種類對木塑老化有一定影響；Kazemi Najafi S和Jordens C等[12-13]用不同塑料制備木塑復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)塑料充分熔融后封裝木質(zhì)基體的程度直接影響木塑的吸水率；陳娟等[14]將添加不同光穩(wěn)定劑的木塑材料進(jìn)行紫外光加速氧老化，發(fā)現(xiàn)光穩(wěn)定劑對木塑材色有一定保護(hù)作用。在不同的自然氣候條件下，研究自然氣候老化對多種配方制備的木塑地板性能的影響，具有重要的理論價值和生產(chǎn)意義。本研究分析了昆明和西雙版納自然氣候條件下6種不同配方制備的木塑地板抗老化性能，并比較6種木塑地板自然老化性能的變化規(guī)律。

1材料與方法

1.1試驗材料

生物質(zhì)原料：橡膠(Heveabrasiliensis)木粉，紅木粉(由多種紅米粉混合，經(jīng)西雙版納工廠加工所得，含水率為2%～3%，篩選目數(shù)為60目)。塑料：高密度聚乙烯(HDPE，密度為0.92 g/cm2)。紫外線吸收劑：UV-531，UV-1(均為德國進(jìn)口，湖北永泰塑膠公司銷售)。其他添加劑：CaCO3，PE蠟，硬脂酸鋅，亞乙基雙硬脂酰胺(EBS)，馬來酸酐接枝PP，抗氧劑1010(均為市售)。

1.2儀器設(shè)備

SRL-Z500/1OOOA高速混煉機(武漢澤琦塑料機械制品有限公司)；SHJ75/40-QL182-3木塑專用雙平行雙螺桿混煉擠出造粒機(武漢澤琦塑料機械制品有限公司)；MSSZ65/132-YF240A錐形雙螺桿木塑擠出機(武漢澤琦塑料機械制品有限公司)；北京康光SC-80C全自動色差計(北京康光儀器有限公司)；AG-I萬能力學(xué)試驗機(日本島津有限公司)。

1.3試樣制備

將木粉原料、塑料、紫外線吸收劑和其他添加劑按一定比例加入高速混煉機混煉，經(jīng)造粒機造粒后，雙螺桿擠出成型。將制備完成的木塑板材(木粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，木塑比為2.57∶1.00，紫外線吸收劑占物料總量的0.3%)按照GB/T 24508—2009《木塑地板》老化性能檢測項目試件尺寸標(biāo)準(zhǔn)裁切，截面尺寸(長×寬×高)為：470mm×150mm×30mm(24h吸水率測試木塑試件尺寸為：50mm×50mm×30mm)。根據(jù)木粉種類和紫外線吸收劑的種類制備不同試樣，配方見表1。

表1　戶外老化木塑地板組別

1.4研究方法

1.5主要氣候條件

根據(jù)每天天氣預(yù)報整理昆明和西雙版納2地氣候指標(biāo)變化數(shù)值，得出戶外老化期間的大致天氣情況，見表2。

表2　戶外老化期間的主要天氣情況

2結(jié)果與分析

2.1彎曲破壞載荷變化

按老化時間分析，放置在昆明和西雙版納自然老化的6種木塑地板，定期取材檢測其彎曲破壞載荷，結(jié)果見表3。

表3　不同放置時間木塑地板戶外老化后彎曲破壞載荷

由表3可知，未經(jīng)自然老化直接檢驗的木塑地板均擁有較高的初始彎曲破壞載荷，隨著戶外老化時間的增加，彎曲破壞載荷逐漸降低。這是因為自然氣候條件下，木塑地板不斷受到陽光、雨水、溫度等氣候條件影響，木粉和塑料基體緩慢降解，板材脆性增大，抗彎性能降低[6]。

按木塑原料分析：以橡膠木粉為原料的木塑地板在抗彎性能上優(yōu)于紅木粉經(jīng)過180d戶外老化，昆明和西雙版納兩地未添加紫外吸收劑的木塑地板彎曲破壞載荷相比初始樣板分別降低了17.0%和18.8%，添加UV-531的板材分別降低了16.7%和17.0%，添加UV-1的板材分別降低了15.9%和14.9%，說明2種紫外線吸收劑都能夠延緩橡膠木粉-HDPE木塑地板在自然氣候條件下抗彎性能退化速度。將紅木粉-HDPE木塑地板試樣D、E、F比較發(fā)現(xiàn)，不添加紫外線吸收劑木塑地板總體上彎曲破壞載荷最高。經(jīng)過180 d戶外老化，昆明和西版納兩地未添加紫外吸收劑的木塑地板彎曲破壞載荷分別降低了12.7%和10.9%，添加UV-531的板材分別降低了8.3%和15.0%，添加UV-1的板材分別降低了19.8%和19.2%，說明2種紫外線吸收劑延緩了紅木粉-HDPE木塑地板在自然氣候條件下抗彎性能的退化速度，而UV-1在該作用上的效果較UV-531更明顯。

按天氣情況分析：依據(jù)昆明和西雙版納兩地戶外老化期間的主要天氣情況，發(fā)現(xiàn)西雙版納1— 6月的氣溫都明顯高于昆明的同期氣溫。較高的氣溫使西雙版納放置點的試樣在整個戶外老化期里，彎曲破壞載荷下降程度更大。由于木塑地板是熱的不良導(dǎo)體，隨著溫度的高低變化，表層與內(nèi)部受熱不均，不斷膨脹、收縮、變形[15]；同時，長期高溫暴曬作用還會使PE塑料氧化降解，大分子鏈斷裂為小分子，導(dǎo)致木塑地板的力學(xué)性能降低，壽命縮短[7]。

2.2表面顏色變化

昆明和西雙版納不同放置時間6種木塑地板老化后表面顏色變化見圖1。

由圖1可以看出，總體上昆明和西雙版納放置點的木塑地板表面色差值在180d的自然老化期內(nèi)均表現(xiàn)出上升趨勢。按木塑原料分析：昆明放置點的橡膠木粉-HDPE木塑地板試樣A、B、C，色差值ΔE*增長幅度比較接近，添加了紫外線吸收劑的木塑地板在整個戶外老化期內(nèi)的材料表面的色差值均低于不添加紫外線吸收劑的木塑地板；紅木粉-HDPE木塑地板試樣D、E、F的色差值ΔE*也表現(xiàn)出上述規(guī)律，添加了UV-1的木塑地板表現(xiàn)出較好的表面色牢度，色差值保持平穩(wěn)。西雙版納放置點的橡膠木粉-HDPE木塑地板試樣A、B、C色差值ΔE*增長幅度各異，戶外老化期內(nèi)添加UV-531的木塑地板色差值ΔE*在各試樣中最小，表現(xiàn)出最好的色牢度；紅木粉-HDPE木塑地板試樣D、E、F中，添加UV-1的木塑地板色差值增長速率較穩(wěn)定，在最終色差檢測中表現(xiàn)出最低的色差值。

由圖1還可以發(fā)現(xiàn)，2種紫外線吸收劑都可以增強木塑地板的色牢度，但UV-531更適用于橡膠木粉-HDPE木塑地板，而UV-1更適用于紅木粉-HDPE木塑地板，說明木纖維種類與紫外線吸收劑種類的匹配性對木塑地板的表面色牢度有一定影響。

按天氣情況分析：綜合昆明和西雙版納兩地的天氣情況可以發(fā)現(xiàn)，西雙版納1— 6月的氣溫均高于昆明的同期氣溫，特別是3— 6月，平均最高氣溫都在32℃以上。高溫會使木塑地板中的PE塑料發(fā)生氧化分解，導(dǎo)致材料表面褪色明顯，高溫紫外光暴曬對不同配方木塑地板表面顏色變化影響巨大。

2.324h吸水率變化

木塑地板吸水主因是木粉纖維的親水性以及材料中的孔隙[16]。不同放置時間6種木塑地板老化后24h吸水率見圖2。

由圖2可以看出，木塑地板24h吸水率隨著戶外老化時間的增加而不斷提升，這是因為自然氣候條件下的陽光和降雨都會使得木質(zhì)基體與塑料基體之間的界面緩慢降解，材料內(nèi)部孔隙越來越多，木粉纖維吸水的概率增大[6]。

按木塑原料分析：未經(jīng)戶外老化的橡膠木粉-HDPE木塑地板試樣和紅木粉-HDPE木塑地板試樣初始測試的24h吸水率相差不大。經(jīng)過180d戶外老化后，紅木粉-HDPE木塑地板24h吸水率為3.21%～4.13%，橡膠木粉-HDPE木塑地板僅為2.61%～3.09%，說明經(jīng)過戶外老化的紅木粉-HDPE木塑地板吸水率更高。比較橡膠木粉-HDPE木塑地板試樣A、B、C發(fā)現(xiàn)，添加UV-531的木塑地板在整個老化期內(nèi)一直擁有較低24h吸水率；而比較紅木粉-HDPE木塑地板試樣D、E、F而，添加UV-531或UV-1的木塑地板均可以保持穩(wěn)定的24h吸水率上升速率，并在180d戶外老化后保持較低的24h吸水率。根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，紫外線吸收劑對木塑地板耐水性能的提高有一定輔助作用，這主要是由于紫外線吸收劑減少了太陽光中的紫外線對木塑材料表面的破壞[14]，降低了材料表面孔隙生成的幾率，使木塑地板24h吸水率維持在較低數(shù)值。

按天氣情況分析，結(jié)合圖2發(fā)現(xiàn)，所有木塑地板在后90d的戶外老化期內(nèi)，24h吸水率上升的速度均有所增加，這與云南地區(qū)5—6月份反常的大規(guī)模降雨有關(guān)(表2)。大規(guī)模的降雨會洗涮木塑地板表面，增大細(xì)小孔隙吸水的可能，而長時間的水浸使得水分慢慢降解了木質(zhì)基體與塑料基體之間的界面，破壞了塑料對木粉的封裝，進(jìn)一步促進(jìn)木粉對水分的吸收，提高了木塑地板的吸水率[16]。

3結(jié)論

1) 自然氣候老化180d后，木塑地板彎曲破壞載荷降低，高溫暴曬是主要原因之一。添加UV-531或UV-1能延緩橡膠木粉-HDPE木塑地板在自然氣候條件下抗彎性能的退化速度。

2) 高溫紫外光暴曬對木塑地板表面顏色變化影響巨大。不同木粉制備的木塑地板中添加與其相適應(yīng)的紫外線吸收劑，可以獲得更好的表面色牢度。添加UV-531可以有效增強橡膠木粉-HDPE木塑地板的表面色牢度，而添加UV-1可以有效增強紅木粉-HDPE木塑地板的表面色牢度。

3) 降雨量增大會增加木塑地板的吸水率，而添加紫外線吸收劑對木塑地板耐水性能的提高有一定輔助作用。

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(責(zé)任編輯曹龍)

第1作者：劉剛連(1984—)，男，助理研究員。研究方向：聚合物復(fù)合材料研究。Email:249286110@qq.com。

通信作者：吳章康(1967—)，男，博士,教授。研究方向：木質(zhì)材料性能，木質(zhì)復(fù)合材料。Email:xr40978135@126.com。