MAPP對木塑復(fù)合材料性能的影響

邊慧光，胡紀(jì)全，汪傳生，武玉建

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

木材是一種非常好的天然材料，木材的許多性能都比木塑復(fù)合材料(WPC)要優(yōu)越，例如剛度、強(qiáng)度、防滑性等。不過在吸水性、抗微生物降解性和耐用性等方面，普通木材遠(yuǎn)不如WPC[1-2]。WPC是由樹脂基體和木質(zhì)纖維共混而成，決定了其同時(shí)具有樹脂和木材的某些特性，主要特點(diǎn)有[3-7]：

(1)物理性能良好。WPC具有與硬木相當(dāng)?shù)目箟?、抗彎曲等物理機(jī)械性能，并且耐用性明顯優(yōu)于普通木質(zhì)材料；比木材的尺寸穩(wěn)定性好，不會產(chǎn)生裂紋、彎曲等；(2)可加工性。WPC比塑料制品硬度高、剛性好，不僅具有熱塑性塑料的可加工性，還具有木材的二次加工特性；木塑制品可涂漆，產(chǎn)品規(guī)格形狀靈活性大；加入各種著色劑或覆膜，可制得色彩絢麗的各種制品；(3)對環(huán)境友好，能重復(fù)使用和回收利用，也可生物降解[8]；(4)具有防水性、耐腐蝕性，使用壽命長。與木材相比，WPC抗強(qiáng)酸堿程度強(qiáng)，具有很好的防潮性、耐腐蝕、不繁殖細(xì)菌，不易被蟲蛀、不長真菌；(5)優(yōu)良的可調(diào)整性。通過在WPC中加入特殊的助劑，可以對塑料進(jìn)行改性、聚合、發(fā)泡等處理，這樣就可以改變WPC的密度、力學(xué)性能等，還可以賦予WPC新的特性以滿足一些特殊的要求，如：抗老化性能、防靜電性能、阻燃性能等；(6)原料來源廣泛。WPC生產(chǎn)所用的主要原料是聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，木粉主要是一些木制產(chǎn)品的下腳料，另外還需要加入少量的加工助劑等，物質(zhì)能變廢為寶；(7)形狀尺寸可調(diào)?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用需求，制成不同形狀和尺寸的WPC，另外還具有抗紫外線、易著色等特點(diǎn)。

本研究以聚丙烯、木粉為主要原料，在傳統(tǒng)配方的基礎(chǔ)上添加膠粉并通過雙螺桿擠出機(jī)和平板硫化機(jī)制備WPC，研究擠出過程中馬來酸酐接枝聚合物(MAPP)的加入及用量對WPC性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚丙烯、木粉、MAPP、膠粉等均為市售工業(yè)級產(chǎn)品。

1.2 儀器設(shè)備

QLB-D400X400X2平板硫化機(jī)：上海第一橡膠機(jī)械廠制造；WDW-30電子萬能試驗(yàn)機(jī)：長春科新實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；30平雙螺桿擠出機(jī)：青島威爾塑料機(jī)械有限公司；JSM-7500F場發(fā)射掃描電鏡：日本電子公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

將預(yù)處理后的木粉、膠粉、相容劑和聚合物在擠出機(jī)中進(jìn)行熔融共混。在熔融擠出溫度下，纖維素和共聚物之間的反應(yīng)分兩步進(jìn)行：第一步是共聚物轉(zhuǎn)換成更有反應(yīng)性的酸酐形式；第二步是與纖維素發(fā)生酯化反應(yīng)，反應(yīng)過程如圖1所示[9]。實(shí)驗(yàn)配方如表1所示。

圖1 MAPP改性纖維素的反應(yīng)過程

表1 實(shí)驗(yàn)配方

1.4 MAPP處理法

MAPP處理法是通過化學(xué)反應(yīng)減少填料表面羥基數(shù)目，在增強(qiáng)相和基體相之間建立物理和化學(xué)鍵交聯(lián)。通過在木粉表面形成一層憎水性薄膜從而提高其與聚合物的相容性和促進(jìn)木纖維的均勻分散。相容劑的加入能明顯改善材料的沖擊強(qiáng)度，這是因?yàn)轳R來酸酐與木質(zhì)纖維素上的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，降低木粉的極性和親水性，有效地改善了木粉與聚丙烯的界面相容性,從而使材料的沖擊強(qiáng)度有了明顯的提高[10-12]。MAPP作為一種良好的相容劑是因?yàn)橐环矫鍹APP中馬來酸酐端含有大量的的羧基或酐基能與增強(qiáng)材料中的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)，減少引起極性和吸濕性的羥基數(shù)目；另一方面分子鏈末端含有的很長的聚合物鏈段能與樹脂基體作用相互纏結(jié)甚至形成共晶而彼此進(jìn)入對方的晶格，改善材料的力學(xué)性能、防水性能等。

2 結(jié)果與討論

2.1 MAPP用量對WPC性能的影響

MAPP用量對WPC力學(xué)性能的影響如圖2～圖4所示。

MAPP用量/份圖2 MAPP用量對WPC拉伸強(qiáng)度的影響

MAPP用量/份圖3 MAPP用量對WPC缺口沖擊強(qiáng)度的影響

MAPP用量/份圖4 MAPP用量對WPC彎曲強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出，在一定范圍內(nèi)MAPP的加入有效地改善了WPC的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)MAPP用量在4～6份之間時(shí)會出現(xiàn)一個(gè)極大值，用量繼續(xù)增加時(shí)，WPC的拉伸強(qiáng)度反而下降。

當(dāng)MAPP用量較少時(shí)，不能與木粉和回收膠粉中的極性基團(tuán)發(fā)生充分反應(yīng)，會剩余大量的羥基基團(tuán)，木粉仍具有較強(qiáng)的極性，使得其與聚丙烯、膠粉和聚丙烯之間的界面結(jié)合力較差，因此拉伸強(qiáng)度與不添加MAPP的試樣相比無明顯提高。當(dāng)MAPP用量過多時(shí)，就會有大量的MAPP未參與反應(yīng)，剩余的MAPP發(fā)生分子間的相互反應(yīng)，形成多分子層，減少了MAPP與木粉、膠粉和聚丙烯中的活性、非活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)的幾率，這樣，三相之間的界面結(jié)合力就會變?nèi)?，?dāng)復(fù)合材料受到外力作用時(shí)，就容易在弱界面層處發(fā)生破壞，宏觀表現(xiàn)為復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度下降。

由圖3可以看出，WPC的缺口沖擊強(qiáng)度隨MAPP用量的增加而增大，當(dāng)MAPP用量在5份左右時(shí)，出現(xiàn)最大值，沖擊強(qiáng)度提高65.22%，之后WPC的缺口沖擊強(qiáng)度隨MAPP用量的增加呈下降趨勢。MAPP是一種彈性體，可以有效地提高WPC的韌性，彈性體在復(fù)合材料中是應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)WPC受到外力沖擊時(shí)，就會在聚丙烯基體中引發(fā)銀紋和剪切帶，當(dāng)銀紋發(fā)展為剪切帶將吸收大量的能量，同時(shí)由于大量的銀紋間相互作用，降低了銀紋帶的應(yīng)力，這樣就有效提高了WPC的缺口沖擊強(qiáng)度。木塑復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律與拉伸強(qiáng)度類似，原因是因?yàn)镸APP用量增加時(shí)，與木粉中的羥基基團(tuán)和膠粉中的活性基團(tuán)反應(yīng)增多，與聚丙烯高聚物的纏結(jié)也增多，這樣就改善了木粉和聚丙烯、膠粉和聚丙烯之間的界面相容性，結(jié)合力增加，相應(yīng)地力學(xué)性能也會提高。當(dāng)MAPP用量過多時(shí)，由于聚丙烯和木粉中剛性分子的阻礙作用，使得MAPP與木粉、膠粉和聚丙烯結(jié)合量反而減少了，界面也就變差了，復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。

由圖4可以看出，WPC彎曲強(qiáng)度的變化趨勢與拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。只是發(fā)現(xiàn)當(dāng)MAPP用量很少時(shí)，彎曲強(qiáng)度反而會出現(xiàn)稍微的下降，這是因?yàn)镸APP用量很少時(shí)，沒起到增容的作用，木粉和聚丙烯沒有很好地結(jié)合，又因?yàn)镸APP的彈性模量很低，所以加入MAPP反而使WPC的彎曲強(qiáng)度下降。

2.2 形貌分析

采用掃描電鏡(SEM)分析不同用量MAPP的WPC的拉伸斷面形貌，見圖5。

(a) 無MAPP

(b) 5份MAPP

(c) 7.5份MAPP

(d) 10份MAPP圖5 不同用量MAPP的復(fù)合材料的SEM拉伸斷面形貌圖

由圖5可以看出，當(dāng)加入5份MAPP時(shí)，WPC的界面結(jié)合得最好，當(dāng)MAPP的用量進(jìn)一步增加時(shí)，復(fù)合材料的界面結(jié)合效果反而變差。

當(dāng)不加入MAPP時(shí)，由于在物料配方中加入了硅烷偶聯(lián)劑KH550,所以物相之間也能有很好的結(jié)合，只是還有很多分層現(xiàn)象。當(dāng)加入5份左右MAPP時(shí)，其與硅烷偶聯(lián)劑KH550相互作用促進(jìn)了界面結(jié)合，從圖5(b)可以看出，木粉和膠粉能夠很好地被塑料基體包覆，形成一個(gè)連續(xù)的整體。從圖5(c)可以看出，大部分能很好地結(jié)合，但是已經(jīng)出現(xiàn)了斷裂分層現(xiàn)象，說明WPC在受到外力作用時(shí)，首先在這些地方發(fā)生破壞。從圖5(d)可以清晰地看到暴露在塑料基體表面的木粉或者膠粉顆粒，說明當(dāng)MAPP用量過剩時(shí)，MAPP相互之間就會發(fā)生結(jié)合，使得在木塑復(fù)合材料界面之前起作用的MAPP的量反而減少了。

3 結(jié) 論

MAPP的加入可顯著改善復(fù)合材料的力學(xué)性能。MAPP中的活性基團(tuán)能與木粉和膠粉中的極性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，而另一端可以與聚丙烯基體發(fā)生纏繞，這樣就能把原來相容性差的幾種物質(zhì)緊密地結(jié)合起來，從而提高了WPC的性能。當(dāng)MAPP的用量為5份左右時(shí)， WPC的力學(xué)性能最佳。

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