竹材與高密度聚乙烯界面相容性的研究*

龍大軍

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545004）

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竹材與高密度聚乙烯界面相容性的研究*

龍大軍

（廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545004）

摘要：以竹片、竹粉、竹纖維和高密度聚乙烯（PE–HD）為研究對(duì)象，采用液體石蠟油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2、甲基丙烯酸甲酯、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH水溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、熱處理等方式對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)不同處理方法所得試樣的平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度的考察分析，發(fā)現(xiàn)具有合適比表面積的竹纖維與PE–HD具有更好的界面相容性，并且經(jīng)過(guò)預(yù)處理后竹纖維與PE–HD的相容性改善效果更加明顯。另外，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二甲酸酐乙醇溶液，對(duì)竹材與PE–HD的界面相容性改善效果更明顯。

關(guān)鍵詞：竹材；高密度聚乙烯； 界面相容性； 平面拉伸強(qiáng)度； 膠合強(qiáng)度

聯(lián)系人：龍大軍，碩士，講師，研究方向是木材／竹材加工、家具設(shè)計(jì)與制造

隨著木材供需矛盾的日益突出，尋找新的木材代用資源，研究和推廣應(yīng)用新技術(shù)，已是當(dāng)今木材生產(chǎn)和加工業(yè)的重要課題。我國(guó)是一個(gè)木材資源相對(duì)匱乏竹材資源十分豐富的國(guó)家［1–2］。聚乙烯是目前世界通用的聚合物之一，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，但也因此產(chǎn)生了大量的白色垃圾，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了極大的壓力。竹材與聚乙烯復(fù)合材料因可充分利用我國(guó)相對(duì)豐富的竹材資源，解決因聚乙烯塑料制品在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的廣泛使用而產(chǎn)生的環(huán)境壓力受到廣泛關(guān)注［3–5］。

竹材是天然生長(zhǎng)的有機(jī)體，屬于非均質(zhì)和各向異性材料，主要由纖維素、半纖維素和木素組成，并含有少量的蛋白質(zhì)、脂肪、果膠、單寧等物質(zhì)。聚乙烯是由乙烯單體在高、中、低壓條件下直接聚合所得到的聚合物，分子通式為［CH2—CH2］，是線形或略帶有支鏈的高分子化合物，分子鏈柔順，無(wú)極性，分子間作用較小，但它的大分子鏈上缺乏極性基因，因此它與大多數(shù)共混填充材料的界面親和力弱，相容性差，致使填充共混體系性能低。竹材與聚乙烯復(fù)合材料是由性能差異很大的竹材、聚乙烯的兩相體系復(fù)合而成，兩相體系良好的相容性，是其獲得良好性能的一個(gè)重要前提［6–8］。對(duì)于兩相體系，人們總是希望其共混組分之間具有盡可能好的相容性，然而，在實(shí)際應(yīng)用中，許多聚合物的相容性卻并不理想。于是，需要采取一些措施來(lái)改善聚合物對(duì)之間的相容性。界面膠合強(qiáng)度與相容性有關(guān)，相容性越好，界面膠合強(qiáng)度越大［9–10］。

筆者通過(guò)采用液體石蠟油、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2、甲基丙烯酸甲酯、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH水溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、熱處理等方式對(duì)竹片、竹粉和竹纖維進(jìn)行處理后，再與一定量粉末狀的高密度聚乙烯（PE–HD）進(jìn)行組坯熱壓制成試件，通過(guò)對(duì)試件平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度等力學(xué)性能的檢測(cè)來(lái)分析竹材與PE–HD的界面相容性，并與未經(jīng)處理的對(duì)比試樣進(jìn)行對(duì)比分析，探討提高竹材與PE–HD界面相容性的有效方法。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1原材料

竹片：尺寸為50 mm×40 mm，含水率為6%的三年生毛竹竹片，自制；

竹粉：灰分為2%，含水率為6%，粒徑為74 μm，上海迤晟建筑材料科技有限公司；

竹纖維：含水率為6%，長(zhǎng)徑比為2 000，上海迤晟建筑材料科技有限公司；

PE–HD：5000S，北京燕化石油化工股份有限公司化工一廠；

液體石蠟油：汕頭市光華化學(xué)廠；

甲基丙烯酸甲酯：五聯(lián)化工廠；

鄰苯二甲基酸酐：天津市化學(xué)試劑一廠；

95%純度乙醇試劑：汕頭市光華化學(xué)廠。

1.2儀器及設(shè)備

單層熱壓機(jī)：QD型，上海人造板機(jī)械廠；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：CS1013型，重慶試驗(yàn)設(shè)備廠；

木材萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：MWD–50型，濟(jì)南中儀儀器有限公司。

1.3試樣制備

（1）竹片的預(yù)處理。

竹片分別采用以下6種方式進(jìn)行預(yù)處理：將試樣放在單層熱壓機(jī)中，利用壓機(jī)自重在（220±2）℃條件，熱處理30 min；用毛刷將液體石蠟油涂刷在竹片表面；用毛刷將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2水溶液涂刷在竹片表面；用毛刷將甲基丙烯酸甲酯涂刷在竹片表面；用毛刷將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH水溶液涂刷在竹片表面；用毛刷將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二甲酸酐乙醇溶液涂刷在竹片表面。

（2）竹粉和竹纖維的預(yù)處理。

竹粉和竹纖維分別采用以下6種方式進(jìn)行預(yù)處理：將竹粉或竹纖維放在單層熱壓機(jī)，利用熱壓機(jī)自重在（220±2）℃條件，熱處理30 min；將竹粉或竹纖維浸泡在液體石蠟中30 min，然后粉碎至40 μm；將竹粉或竹纖維浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的H2O2水溶液中30 min，然后粉碎至40 μm；將竹粉或竹纖維浸泡在甲基丙烯酸甲酯中30 min，然后粉碎至40 μm；將竹粉或竹纖維浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH水溶液中30 min，然后粉碎至40 μm；將竹粉或竹纖維浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二甲酸酐乙醇溶液中30 min，然后粉碎至40 μm。

（3）注塑復(fù)合材料的制備。

相同方式處理后，利用電熱鼓風(fēng)干燥箱在（80±2）℃條件下干燥6 h，再在（100±2）℃條件下將處理好的竹片、竹粉和竹纖維干燥到含水率為5%～7%。直接按235～250 g／m2的PE–HD加入量對(duì)竹片進(jìn)行組坯，將竹粉或竹纖維與PE–HD粉末以質(zhì)量比為40／60的比例混合，再進(jìn)一步進(jìn)行組坯。按熱壓溫度160～180℃、熱壓壓力3.30～3.50 ΜPa、熱壓時(shí)間10～13 min的工藝條件用單層熱壓機(jī)采用熱進(jìn)冷出工藝制備試樣。待制成的試樣含水率等各項(xiàng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定，符合GB 9846.1–12–18膠合板標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求后再進(jìn)行試件的檢測(cè)。

按照竹材處理方式不同將PE–HD／竹片復(fù)合材料分別標(biāo)記為A1～A6列于表1，PE–HD／竹粉復(fù)合材料分別標(biāo)記為B1～B6列于表2，PE–HD／竹纖維復(fù)合材料分別標(biāo)記為C1～C6列于表3。

表1　PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣處理方法

表2　PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣處理方法

表3　PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣處理方法

1.4性能測(cè)試

對(duì)各試樣的平面拉伸強(qiáng)度按GB／T 4897–1992測(cè)試；

膠合強(qiáng)度按照GB 9846.12–1988測(cè)試。

2　結(jié)果與分析

2.1PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣的界面相容性

表4示出了PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度。參照竹片碎料刨花板及厚度為15 mm竹片膠合板的性能特點(diǎn)，從表4可以看出，測(cè)試的所有試樣的平面拉伸強(qiáng)度、膠合強(qiáng)度均符合要求。與對(duì)照試樣（竹材表面未經(jīng)處理的）相比，其中竹片經(jīng)過(guò)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的H2O2水溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二酸酐乙醇溶液處理（A6與A4）的試樣在其拉抻強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度方面提高最為明顯，拉伸強(qiáng)度分別提高了40.0%和33.8%，膠合強(qiáng)度分別提高了47.8%和54.1%，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% 的H2O2水溶液對(duì)竹片進(jìn)行處理可以更大程度上提高試樣的拉伸強(qiáng)度，而用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鄰苯二酸酐乙醇溶液處理則可以在較大程度上提高試樣的膠合強(qiáng)度。其它經(jīng)處理過(guò)的4組試樣與對(duì)照試樣（竹材表面未經(jīng)處理的）相比較，除個(gè)別特殊情況外在平面拉伸強(qiáng)度及膠合強(qiáng)度等性能上也都有一定幅度的提高，但與A4和A6試樣相比提高幅度相差較為顯著。平面拉伸強(qiáng)度的提高幅度為7.5%～23.8%，而膠合強(qiáng)度則為0.8%～18.3%。由以上數(shù)據(jù)可知，竹材表面經(jīng)液體石蠟油、甲基丙烯酸甲酯、5%鄰苯二酸酐乙醇溶液、5%NaOH水溶液、5%H2O2水溶液及熱處理后均有利于竹材與PE–HD界面相容性的提高，其中以采用5%鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%H2O2水溶液處理的效果最好。

表4　PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度

縱觀各方面的因素，使得竹材與PE–HD界面相容性得以提高的原因主要有：（1）天然高分子的纖維材料竹材表面極性與PE–HD表面非極性有較大的差別，易造成兩者的相容性差。而對(duì)竹材表面進(jìn)行液體石蠟油、甲基丙烯酸甲酯、5%鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、5%NaOH 水溶液H2O2及熱處理后，都不同程度地降低竹材表面能并在熱壓過(guò)程中與PE–HD發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而提高PE–HD的極性，縮小了竹材與PE表面極性差距，使得竹材與PE–HD的極性相似，提高兩者的相容性。（2）通過(guò)處理，使界面的酸堿匹配，使竹材與PE–HD接觸體系界面的電子斥引作用相匹配，提高了兩者的界面相容性。（3）通過(guò)處理，為界面形成化學(xué)鍵力提供了可能與條件。如：對(duì)竹材表面采用強(qiáng)氧化劑H2O2處理，一方面使竹材表面的纖維素在氧化劑的作用后，羧基氧化成醛基、酮基形成氧化纖維素；另一方面也使其在與PE–HD接觸后，對(duì)PE–HD進(jìn)行氧化，在材料表面導(dǎo)入羧基、羰基等極性基團(tuán)，使被氧化后的PE–HD能夠與竹材表面的極性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，形成化學(xué)鍵力，從而提高了竹材與PE–HD界面的相容性。

2.2PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣的界面相容性

表5為PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度。由表5可見(jiàn)，與PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣相比，無(wú)論是對(duì)比試樣，還是經(jīng)過(guò)處理的試樣，PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度都有不同程度的提高，這是由于竹粉在PE–HD本體中的分散度要優(yōu)于竹片，尤其是經(jīng)過(guò)處理后的竹粉可以較好地和PE粉末相容，從而提高了試樣的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度。這也從側(cè)面說(shuō)明了相對(duì)于竹片來(lái)說(shuō)，竹粉與PE–HD的界面相容性更好。另外，不同處理方法對(duì)PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度的影響趨勢(shì)與PE–HD／竹材復(fù)合材料試樣是一致的。與對(duì)比試樣（竹材表面未經(jīng)處理的）相比，A6組處理后的竹塑復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度提高了24.4%～76.8%，膠合強(qiáng)度提高了1.9%～55.7%。經(jīng)處理后的試樣B1～B6的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度提高幅度均要高于試樣A1～A6，可能是由于竹粉的比表面積要大于竹片，所以經(jīng)過(guò)處理后的竹粉與PE–HD的相容性改善程度要優(yōu)于竹片。

表5　PE–HD／竹粉復(fù)合材料試樣平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度

2.3PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣的界面相容性

為了便于操作，筆者先對(duì)顆粒較大的竹粉進(jìn)行表面處理，然后再粉碎至指定微米數(shù)，這就造成了粉碎后的竹粉中存在一定的未經(jīng)處理的表面，并且顆粒狀的竹材比表面積一般較大，因而竹粉在PE本體中可能會(huì)發(fā)生團(tuán)聚而造成試樣性能下降。竹纖維的比表面積較竹粉小，但又遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于竹片，并且纖維狀的竹材本身具有十分優(yōu)異的力學(xué)性能，所以將竹纖維和PE進(jìn)行復(fù)合，并對(duì)其拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)定，用以評(píng)定竹纖維和PE的界面相容性。

表6列出PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣的平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度。由表6看出，該試樣的平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度都要高于前兩類(lèi)竹塑復(fù)合材料試樣，造成這種現(xiàn)象的原因可能是竹纖維本身優(yōu)異的力學(xué)性能或竹纖維和聚乙烯較好的界面相容性。與未經(jīng)處理的PE–HD／竹片復(fù)合材料試樣相比，未經(jīng)處理的PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度分別提高了3.7%和1.1%，而經(jīng)過(guò)5%H2O2水溶液處理的試樣C6與試樣A6相比，平面拉伸強(qiáng)度提高了35.7%，經(jīng)過(guò)5%鄰苯二酸酐乙醇溶液處理的試樣C3與試樣A3相比，膠合強(qiáng)度提高了5.0%，這說(shuō)明竹纖維較為合適的比表面積，經(jīng)處理后能夠更好地與PE–HD相容，進(jìn)而提高了PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣的拉伸性能和膠合性能，并不完全是由于竹纖維本身力學(xué)性能造成的。另外，與對(duì)照組試樣相比，經(jīng)過(guò)處理的PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣C1～C6的平面拉伸強(qiáng)度提高了約25.9%～78.8%，膠合強(qiáng)度提高了4.9%～60.0%，這也反映出竹纖維與PE–HD的界面相容性要高于前兩種竹材。

表6　PE–HD／竹纖維復(fù)合材料試樣平面拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度

雖然竹材經(jīng)液體石蠟油、甲基丙烯酸甲酯、5%鄰苯二甲酸酐乙醇溶液，5%NaOH水溶液、H2O2及熱處理后，有利于竹材與PE界面相容性的提高，但提高的幅度并不是很大，分析主要由以下原因所造成：①由于實(shí)驗(yàn)條件所限，造成處理達(dá)不到預(yù)期效果，如竹材表面的熱處理要求在無(wú)氧的條件下進(jìn)行的，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本研究是在有氧的條件下進(jìn)行的，在進(jìn)行熱處理的過(guò)程中，竹材表面在高溫條件下與空氣中的氧發(fā)生了一定的化學(xué)反應(yīng)。②對(duì)竹材表面進(jìn)行單一的處理，很容易出現(xiàn)得此失彼的現(xiàn)象。如對(duì)竹材表面用液體石蠟油進(jìn)行處理，封閉了竹材表面的極性官能團(tuán)、降低了竹材表面的極性，但卻不利于在熱壓過(guò)程中在界面上形成化學(xué)鍵。所以在生產(chǎn)中，建議采用綜合處理法，并嚴(yán)格保證生產(chǎn)條件。

3　結(jié)論

（1）經(jīng)過(guò)處理后，竹片、竹粉、竹纖維3種竹材和PE–HD的界面相容性都得到不同程度的改善，經(jīng)組坯熱壓所制備的試樣的拉伸強(qiáng)度和膠合強(qiáng)度都得到提高。

（2）由于竹纖維的比表面積要遠(yuǎn)高于竹片，經(jīng)處理后竹纖維與PE–HD的界面相容性改善更為顯著；竹粉與PE–HD的界面相容性也優(yōu)于竹片，但較竹纖維差，這可能是由于竹粉在PE–HD本體中會(huì)發(fā)生一定程度的團(tuán)聚造成的。

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Research on Interface Compatibility Between the Bamboo and High Density Polyethylene

Long Dajun
（Guangxi Eco-Engineering Vocational and Technical College， Liuzhou 545004， China）

Abstract：Attaches more importance to the bamboo materials and high density polyethylene （PE–HD）， after treated by saxoline， aqueous solution of H2O2（5wt%），methyl methacrylate，aqueous solution of NaOH （5wt%），ethanol solution of phthalic anhydride （5wt%），and heating treatment，the plane tensile strength and bond strength of these obtained composite materials samples of bamboo materials and PE–HD were measured and employed to evaluate the interfacial compatibility between bamboo materials and PE–HD. Bamboo fibers shows best interfacial compatibility and most obvious modification due to their suitable specific surface area. Moreover，the samples contain bamboo materials treated by aqueous solution of H2O2（5wt%） and ethanol solution of phthalic anhydride （5wt%） exhibite more obvious modification effects on the interfacial compatibility.

Keywords：bamboo； high density polyethylene； interface compatibility； plane tensile strength； bond strength

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-3539（2016）05-0099-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.05.024

收稿日期：2016-02-29

* 2015年廣西柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目（2015E010501）