木塑復合材料老化性能表征概述

摘 要：木塑復合材料是以木本等可再生資源為主要原材料，并同一定比例的熱塑性聚合物混合加工成型而得的綠色環(huán)保復合材料。文章介紹了木塑復合材料老化作用的因素，并對其老化性能的表征方法進行概述。

關鍵詞：木塑復合材料；老化性能；木本

1 背景

木塑復合材料（wood-plastic composites，簡稱WPC）是以木本等植物類可再生生物資源為主要原材料，同時加入了一定比例的熱塑性聚合物，并經(jīng)過不同加工成型手段制備出的一種可循環(huán)利用的新型材料[1]。而木塑復合材料的使用壽命有限，隨著時間的延長，材料中的組分及結構都將會緩慢發(fā)生變化，產(chǎn)生這種變化的主要原因是由于材料的基體已發(fā)生變異，這些因素都將導致復合材料在宏觀性能上的逐漸降低，最終導致木塑復合材料失去使用價值。因此老化性能研究是必不可少的，而老化性能的表征手段是評定木塑復合材料老化性能的關鍵所在，其在復合材料的研究中有著不可或缺的重要性[2]。

2 木塑復合材料老化作用的因素

木塑復合材料發(fā)生老化作用主要由氧、水、濕氣、光、熱、機械作用力、真菌、白蟻等外在的因素促使產(chǎn)生。光、濕氣及氧氣會導致產(chǎn)品褪色；水會導致木塑復合材料力學性能下降；真菌及白蟻的存在會導致材料的表面美觀及各方面性能大大下降，總之各種外在因素將最后導致其材料內部分子間的立體規(guī)整性、物理形態(tài)、高分子化學結構、分子量等發(fā)生一系列變化。

3 木塑復合材料老化性能的表征手段

3.1 材料老化過程中的顏色變化

老化過程中的顏色變化可以通過較為直觀的目測法，也可以通過分光光度計來進行色變測試，具體采用L，a，b表色系統(tǒng)來定量的表征其顏色變化規(guī)律。計算公式為ΔE=，其中△E表示色差即褪色程度，L表示明度，a為紅綠指數(shù)，b為黃藍指數(shù)[3]。另外還可通過色差儀對其顏色變化進行簡單分析。

3.2 材料老化過程中的表面形貌觀察

表面形貌觀察同樣可以通過目測法觀察樣品表面有無龜裂、粉化等現(xiàn)象，另外還可通過SEM（掃描電子顯微鏡）以及SPM（掃描探針顯微鏡）對材料的表面（粗糙度、波紋度和表面形狀誤差）進行微觀觀測，因為木塑復合材料會在外在因素的作用發(fā)生老化現(xiàn)象，從而導致木塑材料的表層破壞且伴隨著脫落的木質纖維，而脫落出的木質纖維也會發(fā)生降解，促使材料表面出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，甚至伴隨著微生物的生長，可用于定性判定材料是否發(fā)生老化現(xiàn)象及其發(fā)生老化作用的程度。

李影等[4]采用掃描電鏡對老化前后的試樣進行觀察，結果表明材料老化后的表面致密層被破壞，表面變得疏松且無光澤，有很多孔洞或凹坑，纖維暴露，褪色表面有細微裂紋。

3.3 材料老化過程中的分子結構變化

材料老化過程中伴隨著分子鏈的斷裂，會導致分子量發(fā)生變化，同時由于老化反應的進行，復合材料晶區(qū)以及非晶區(qū)的含量會發(fā)生變化，同時也將伴隨著木塑復合材料分解溫度的變化，可通過熱分析DTA（差熱分析法）及DSC（差示掃描量熱法）進行測試，另外由于分子鏈的變化同樣會導致分子鏈內部的官能團發(fā)生變化，可通過FT-IR（傅里葉變換紅外光譜）、UV-Vis（紫外可見吸收光譜）、Raman（拉曼光譜）、NMR（核磁共振）以及MS（質譜）等進行測試。

胡晗等[5]采用稻殼、橡膠木鋸末以及橡膠籽殼三種木質纖維分別與回收聚乙烯混合制備木塑復合材料并在熒光紫外燈下進行老化測試，實驗結果表明三種材料結晶度整體趨勢都有所增加，結晶度變化越大說明材料的光氧化程度越大。

3.4 材料老化過程中化學成分和價鍵的變化

材料老化后，表面物質會發(fā)生很大變化，主要通過XPS（X射線光電子能譜分析）對其進行表征，O（氧）/C（碳）用來表示樣品表面的氧化程度，隨著老化時間的增長，氧化程度會增大，O/C數(shù)值也會隨之增大，另外C元素的結合方式及狀態(tài)在很大程度上決定了木塑材料組分的結構和性質，因此通過C元素的變化也可以對老化程度進行評定。

杜華利用XPS分析紫外老化前后純高密度聚乙烯和稻殼粉/高密度聚乙烯復合材料樣品表面碳和氧元素變化。XPS數(shù)據(jù)表明稻殼粉/高密度聚乙烯復合材料樣品的O/C比率比純高密度聚乙烯樣品的略高，這主要是由稻殼粉中纖維素、半纖維素和木質素中的羥基和羰基引起的。經(jīng)紫外老化2000h后，純高密度聚乙烯和稻殼粉/高密度聚乙烯復合材料樣品表面的O/C比率均增加，樣品表面氧原子濃度增加，說明所有樣品表面均發(fā)生了氧化。

3.5 材料老化過程中力學性能的變化

木塑材料在老化過程中由于聚合物鏈上的易在特定環(huán)境下發(fā)生光氧化反應的元素或者基團的反應，會導致木塑材料發(fā)生降解，從而促使材料表面產(chǎn)生龜裂、內部結構松散等現(xiàn)象，同時由于木塑材料中木本纖維的存在（因含有大量羥基），將會進一步加速木塑復合材料的鏈引發(fā)速率，進而加速了木塑分子鏈的斷裂[6]，使材料的力學性能進一步下降，因而從材料力學性能的變化也可以定性對老化程度進行判定。

張正紅[7]在研究木塑復合材料的老化試驗過程中實驗結果表明：

添加ABS的復合材料體系經(jīng)過350小時的紫外光加速老化后其沖擊強度下降39%，添加CPE復合材料體系沖擊強度下降27%，添加ACR的復合材料體系沖擊強度下降21%。由此可見，紫外光加速老化條件下，ACR復合體系的耐沖擊性能最好，耐沖擊保持率最高，其次是CPE體系，ABS體系的耐沖擊性能最差。這與體系氧化降解反應程度有關，紫外光老化條件下，氧化降解程度越低，由氧化降解反應引起的應力集中點較少，所以其耐沖擊性能較好，因此從力學性能的變化可以得到材料的老化程度。

3.6 材料老化過程中接觸角的變化

同時可以通過接觸角測試對其材料中木粉含量的變化進行判定，進而推斷其老化程度，因為接觸角測試是通過對滴加在材料表面的水滴的接觸角大小進行測試，主要用于測量液體對材料的接觸角，即液體對材料的浸潤性，眾所周知，木粉是親水性物質，而聚合物為疏水性物質，若老化時間越長，裸露在材料表面的木纖維將會越多，接觸角將會隨之變小，因而可以通過接觸角測試定性判別材料老化程度。

4 結束語

隨著近年來木塑行業(yè)的發(fā)展及木塑產(chǎn)品的廣泛使用，其產(chǎn)品抗老化性能成為木塑材料重要性能之一，采用現(xiàn)代化的表征方法對其老化程度進行測試可以促進木塑材料的研究，進而有效地擴展其應用。

參考文獻

[1]徐敏.我國木塑地板的市場潛力研究[D].西北農林科技大學，2014.

[2]張正紅.PVC木塑復合材料配方及性能研究[D].浙江工業(yè)大學，2009.

[3]胡曉紅.EVA含量對木塑復合材料物理和老化性能的影響研究[D].北京林業(yè)大學，2013.

[4]李影，劉建中，張洋，等.PVC基木塑復合材料抗老化性能研究[J].工程塑料應用，2014（06）：79-82.

[5]胡晗，吳章康，王云，等.3種木塑復合材料的耐老化性能比較[J].浙江農林大學學報，2014（01）：117-121.

[6]侯人鸞，何春霞，薛嬌，等.麥秸稈粉/PP木塑復合材料紫外線加速老化性能[J].復合材料學報，2013（05）：86-93.

[7]張正紅.PVC木塑復合材料配方及性能研究[D].浙江工業(yè)大學，2009.