不同無(wú)機(jī)粉體在PE木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用研究

宋建強(qiáng)，彭鶴松，王光碩，王玉梅

（1．江西廣源化工有限責(zé)任公司，江西吉安331500；2．東莞市漢維科技股份有限公司，廣東東莞523525）

不同無(wú)機(jī)粉體在PE木塑復(fù)合材料中的應(yīng)用研究

宋建強(qiáng)1，彭鶴松1，王光碩1，王玉梅2

（1．江西廣源化工有限責(zé)任公司，江西吉安331500；2．東莞市漢維科技股份有限公司，廣東東莞523525）

通過(guò)在聚乙烯（PE）木塑復(fù)合材料中分別添加碳酸鈣、滑石粉和硅灰石3種無(wú)機(jī)粉體材料，并采用掃描電子顯微鏡、萬(wàn)能力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)和熱力學(xué)分析儀等對(duì)無(wú)機(jī)粉體的顆粒大小、微觀形貌以及復(fù)合材料的力學(xué)性能等進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，硅灰石制備的PE木塑復(fù)合材料的彎曲性能最佳，滑石粉制備的PE木塑復(fù)合材料沖擊性能較好；對(duì)于3種無(wú)機(jī)粉體而言，隨著無(wú)機(jī)粉體添加量逐漸增加至15份（質(zhì)量份，下同），PE木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能逐漸提升，當(dāng)無(wú)機(jī)粉體添加量增加至20份時(shí)，PE木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能出現(xiàn)下降，密度和硬度逐漸增大，24 h吸水率和線性熱膨脹系數(shù)逐漸降低。

木塑復(fù)合材料；碳酸鈣；硅灰石；滑石粉；力學(xué)性能；密度；吸水率

0 前言

木塑復(fù)合材料主要是以熱塑性塑料、植物纖維、填料和加工助劑等原材料按照一定的比例復(fù)合而成的一種新型功能材料。這種復(fù)合材料集木材和塑料的優(yōu)點(diǎn)于一身，其具有耐水、耐腐、耐蟲蛀、強(qiáng)度高、原材料來(lái)源廣泛和可切割刨鋸等優(yōu)點(diǎn)［1-3］，是一種極具發(fā)展前途的綠色環(huán)保復(fù)合材料，被廣泛地應(yīng)用于家具、園林、裝飾和建材用品等行業(yè)［4-6］。

雖然木塑復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)眾多，但由于生產(chǎn)技術(shù)和加工設(shè)備等因素的制約，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料的生產(chǎn)成本偏高，很大程度的限制了木塑復(fù)合材料的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，而在木塑復(fù)合材料中添加無(wú)機(jī)粉體不僅能極大地降低生產(chǎn)成本，而且還可以提高木塑產(chǎn)品的拉伸強(qiáng)度、彎曲性能、沖擊性能、抗蠕變性、耐熱性能及改善產(chǎn)品的加工流動(dòng)性等［7-8］。本文分別采用碳酸鈣、硅灰石和滑石粉3種不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料進(jìn)行填充改性，考察了不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)制備的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能、密度和吸水率的影響，為木塑復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

高密度聚乙烯（PE-HD），5000S，中國(guó)石化蘭州有限公司；

木粉，170μm，山東臨沂瑞達(dá)木粉有限公司；

PE回收料，揭陽(yáng)市藍(lán)城區(qū)磐東林旭塑料廠；

碳酸鈣，CC-800、CC-1250，性能參數(shù)見表1，江西廣源化工有限責(zé)任公司；

表1 不同品種無(wú)機(jī)粉體的性能指標(biāo)Tab．1 Properties of different kinds of inorganic powders

滑石粉，HS-218、HS-358，江西廣源化工有限責(zé)任公司；

硅灰石，GY-219、GY-319，江西廣源化工有限責(zé)任公司；

硬脂酸，SA1801，南昌明瑞化工有限公司；

抗氧劑，GY-1010，北京極易化工有限公司；

大紅色粉，TC-SF01，東莞市泰昌樹脂材料有限公司；

硅烷偶聯(lián)劑，KH550，南京和潤(rùn)偶聯(lián)劑有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

單螺桿擠出機(jī)，JWELL-2011，上海金緯擠出機(jī)械制造有限公司；

雙螺桿擠出機(jī)，JWS 200，上海金緯擠出機(jī)械制造有限公司；

高速混合機(jī)，DYHL，蘇州大云塑料回收輔助設(shè)備有限公司；

激光粒度儀，3000E，英國(guó)馬爾文公司；

萬(wàn)能力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)機(jī)，CMT-6104，美斯特工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；

電子密度計(jì)，DH-300，北京伊若特電子儀器公司；

肖氏硬度計(jì)，TH210-D，上海倫捷機(jī)電儀表有限公司；

熱力學(xué)分析儀（DMA），Q400，美國(guó)TA公司；

全自動(dòng)比表面積分析儀，NOVA 2000E，美國(guó)康塔儀器公司；

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM），ΣIGMA，卡爾蔡司光學(xué)（中國(guó)）有限公司。

1.3 樣品制備

首先，將木粉放入烘箱中，在120℃溫度下干燥2 h除去其中的水分，然后按照木粉62份、PE回收料30份、PE-HD 2份、硬脂酸2份、偶聯(lián)劑1份、抗氧劑0．3份、色粉2份配方稱量各物料，設(shè)無(wú)機(jī)粉體含量為變量，分別為5、10、15、20份；然后把配好的料放入高速混合機(jī)中混合10 min，再通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)造粒，雙螺桿擠出機(jī)一區(qū)～九區(qū)溫度分別為115、135、155、175、185、184、187、185、157℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為396 r/min；最后通過(guò)單螺桿擠出機(jī)擠出成型得到木塑復(fù)合材料，單螺桿擠出機(jī)一區(qū)～四區(qū)溫度分別為173、178、161、148℃，主機(jī)轉(zhuǎn)速為11 r/min。

1.4 性能測(cè)試與結(jié)構(gòu)表征

SEM分析：對(duì)無(wú)機(jī)粉體作噴金處理，采用SEM對(duì)其進(jìn)行直接觀察；

粒徑分布：馬爾文激光粒度儀測(cè)量無(wú)機(jī)粉體的粒徑分布；

比表面積：采用靜態(tài)測(cè)試法，通過(guò)全自動(dòng)比表面積分析儀進(jìn)行BET多點(diǎn)測(cè)試；

彎曲強(qiáng)度按GB/T 9341—2000進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)速率為10 mm/min；

沖擊強(qiáng)度按GB/T 1043—1993進(jìn)行測(cè)試，樣條C型缺口，擺錘沖擊能為2 J；

吸水率按GB/T 17657—1999進(jìn)行測(cè)試，樣品浸泡時(shí)間約為24 h；

密度按GB/T 1033．1—2008進(jìn)行測(cè)試；

硬度按GB/T 531—1999進(jìn)行測(cè)試；

線性熱膨脹系數(shù)按GB/T 1036—2008進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為100．2 mm×12．5 mm×6．3 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)機(jī)粉體的SEM分析

圖1為不同品種無(wú)機(jī)粉體的SEM照片，放大倍數(shù)均為5000倍。從圖1可以看出，碳酸鈣CC-800和CC-1250均呈不規(guī)則立方體狀結(jié)構(gòu)，CC-1250的粒徑要比CC-800小。滑石粉HS-218和HS-358均呈層狀、片狀結(jié)構(gòu)，HS-358的粒徑要比HS-218小。硅灰石粉GY-219和GY-319均呈針狀、塊狀結(jié)構(gòu)，GY-319的粒徑要比GY-219小。

圖1 不同品種無(wú)機(jī)粉體的SEM照片F(xiàn)ig．1 SEM images of different kinds of inorganic powders

2.2 木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖2為PE木塑復(fù)合材料中添加不同品種無(wú)機(jī)粉體（CC-800、CC-1250，HS-218、HS-358、GY-219、GY-319）后的彎曲強(qiáng)度?？梢钥闯?，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度先呈上升后下降趨勢(shì)。在不同無(wú)機(jī)粉體的相同添加份數(shù)下，硅灰石的彎曲強(qiáng)度最大，其次是滑石粉，再次是碳酸鈣。在同種無(wú)機(jī)粉體填充的情況下，粒徑較小的無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度有較大貢獻(xiàn)，這是因?yàn)榱郊?xì)的無(wú)機(jī)粉體正好可以填充在木粉粒子間的間隙中，從而提高了PE木塑復(fù)合材料的密度，PE木塑復(fù)合材料的應(yīng)力得到增加，彎曲強(qiáng)度得到提升［4，9］。

圖2 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的影響Fig．2 Effect of inorganic powders on the bending strength of PE-based wood-plastic composites

從圖3中可以看出，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì)；在不同無(wú)機(jī)粉體相同填充量的情況時(shí)，滑石粉HS-358的沖擊強(qiáng)度最大，其次是硅灰石GY-219、GY-319，碳酸鈣CC-800、CC-1250稍差，這是由于滑石粉呈片狀結(jié)構(gòu)，硅灰石呈針狀結(jié)構(gòu)，這種晶型結(jié)構(gòu)對(duì)提高材料的沖擊性能有很大幫助；其中HS-358的沖擊強(qiáng)度大于HS-218，這表明滑石粉的硅含量對(duì)材料的力學(xué)性能有影響，硅含量越大，補(bǔ)強(qiáng)力學(xué)性能越好；在同種無(wú)機(jī)粉體填充的情況下，粒徑小的無(wú)機(jī)粉體填充的PE木塑復(fù)合材料其沖擊強(qiáng)度要大。

圖3 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的影響Fig．3 Effect of inorganic powders on the impact strength of PE-based wood-plastic composites

2.3 木塑復(fù)合材料的密度

從圖4中可以看出，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的密度逐漸增大；在不同無(wú)機(jī)粉體填充情況下相同，碳酸鈣CC-800、CC-1250填充的PE木塑復(fù)合材料的密度較大，這是由于碳酸鈣呈不規(guī)則立方體狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，更易填充在木粉粒子間的間隙中，從而提高了PE木塑復(fù)合材料的密度；在同種無(wú)機(jī)粉體填充的情況下，無(wú)機(jī)粉體的粒徑越細(xì)填充的PE木塑復(fù)合材料的密度越大。

圖4 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料密度的影響Fig．4 Effect of inorganic powders on the specific gravity of PE-based wood-plastic composites

2.4 木塑復(fù)合材料的吸水率

從圖5可以看出，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增加，PE木塑復(fù)合材料的24 h吸水率逐漸降低，這是由于木粉的吸水率大于無(wú)機(jī)粉體，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的增加，木粉相對(duì)含量減少，吸水率也隨著降低［10-11］；其中在不同無(wú)機(jī)粉體相同的添加份數(shù)下，硅灰石GY-319、GY219填充在PE木塑復(fù)合材料的吸水率最低，最有利于提高PE木塑復(fù)合材料的耐水性能，其次是滑石粉，再次是碳酸鈣。

圖5 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料24 h吸水率的影響Fig．5 Effect of inorganic powders on the water absorption of PE-based wood-plastic composites

2.5 木塑復(fù)合材料的硬度

從圖6可以看出，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的肖氏硬度逐漸增大；在不同無(wú)機(jī)粉體相同添加量時(shí)，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑復(fù)合材料的硬度最大，其次是碳酸鈣CC-800、CC-1250，滑石粉HS-218、HS-358硬度最小，這是由于無(wú)機(jī)粉體本身的硬度對(duì)復(fù)合材料的硬度有很大的影響。此外還可以發(fā)現(xiàn)，在同種無(wú)機(jī)粉體填充的情況下，無(wú)機(jī)粉體的粒徑越細(xì)填充的PE木塑復(fù)合材料的硬度越大。

圖6 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料硬度的影響Fig．6 Effect of inorganic powders on the hardness of PE-based wood-plastic composites

2.6 木塑復(fù)合材料的線性熱膨脹系數(shù)

從圖7可以看出，隨著無(wú)機(jī)粉體含量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的線性熱膨脹系數(shù)逐漸降低；在不同無(wú)機(jī)粉體填充時(shí)，硅灰石GY-219、GY-319填充的PE木塑復(fù)合材料的線性熱膨脹系數(shù)最小，其次是滑石粉HS-218、HS-358，碳酸鈣CC-800、CC-1250線性熱膨脹系數(shù)最大。這是由于隨著無(wú)機(jī)粉體含量的增加，木粉相對(duì)含量減少，木粉線性熱膨脹系數(shù)比無(wú)機(jī)粉體大，所以表現(xiàn)出線性熱膨脹系數(shù)降低的趨勢(shì)［12］。此外還可以發(fā)現(xiàn)，在同種無(wú)機(jī)粉體填充的情況下，無(wú)機(jī)粉體的粒徑越細(xì)填充的PE木塑復(fù)合材料的線性熱膨脹系數(shù)越大。

圖7 不同無(wú)機(jī)粉體對(duì)PE木塑復(fù)合材料線性熱膨脹系數(shù)的影響Fig．7 Effect of inorganic powders on the linear thermal expansion coefficients of PE-based wood-plastic composites

3 結(jié)論

（1）隨著無(wú)機(jī)粉體添加量的逐漸增大，PE木塑復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均表現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)；硅灰石GY-319在提高PE木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度方面最具優(yōu)勢(shì)，而滑石粉HS-358在提高PE木塑復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度方面表現(xiàn)最佳；PE木塑復(fù)合材料的密度和硬度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，PE木塑復(fù)合材料的24 h吸水率和線性熱膨脹系數(shù)均逐漸降低；

（2）與其他2種填料相比，碳酸鈣填充PE木塑復(fù)合材料的密度相對(duì)較大，硅灰石填充PE木塑復(fù)合材料的硬度最大，同時(shí)最有利于降低PE木塑復(fù)合材料的吸水率和線性熱膨脹系數(shù)。

［1］付 文，王 麗，劉安華．木塑復(fù)合材料改性研究進(jìn)展［J］．高分子通報(bào)，2010，（3）：61-65．Fu Wen，Wang Li，Liu Anhua．Modification Research Progress of Wood-plastic Composites［J］．Polymer Bulletin，2010，（3）：61-65．

［2］Soury E，Behravesh A H，Esfahani E R，et al．Design，Optimization and Manufacturing of Wood-plastic Composite Pallet［J］．Materials＆Design，2009，30（10）：4183-4191．

［3］Schauwecker C，Morrell JJ，Mcdonald A G，et al．Degradation of a Wood-Plastic Composite Exposed under Tropical Conditions［J］．Forest Products Journal，2006，56（11/12）：123-129．

［4］李光哲．木塑復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)［J］．木材加工機(jī)械，2010，（2）：41-44．Li Guangzhe．The Research Hotspots and Development Trend of Wood-plastics Composites［J］．Wood Processing Machinery，2010，（2）：41-44．

［5］Madhoushi M，Chavooshi A，Ashori A，et al．Properties of Wood Plastic Composite Panels Made from Waste Sanding Dusts and Nanoclay［J］．Journal of Composite Materials，2014，48（8）：1661-1669．

［6］Oporto G S，Gardner D J，Bernhardt G，et al．Characterizing the Mechanism of Improved Adhesion of Modified Wood Plastic Composite（WPC）Surfaces［J］．Journal of Adhesion Science＆Technology，2007，21（21）：1097-1116．

［7］沈凡成，賈潤(rùn)禮．木塑復(fù)合材料的研究進(jìn)展與發(fā)展前景［J］．塑料助劑，2010，1（79）：5-9．Shen Fancheng，Jia Runli．Research Progress and Prospect of Wood-plastic Composites［J］．Plastics Additives，2010，1（79）：5-9．

［8］Mohamadzadeh M．Numerical and Experimental Failure Analysis of Screwed Single Shear Joints in Wood Plastic Composite［J］．Materials＆Design，2012，35（35）：404-413．

［9］孫學(xué)全，李秋義，黃萍萍，等．填料對(duì)木塑復(fù)合材料彎曲性能的影響［J］．青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2（31）：28-31．Sun Xuequan，Li Qiuyi，Huang Pingping，et al．The Influence of Filler on Bending Property of Wood-plastic Composite［J］．Journal of Qingdao Technological University，2012，35（35）：404-413．

［10］李珊珊，呂 群，李 偉，等．聚乙烯基木塑復(fù)合材料吸水率的研究［J］．中國(guó)塑料，2009，23（8）：69-73．Li Shanshan，Lv Qun，Li Wei，et al．Studies on Water Absorption of Wood Powder Filled Polyethylene Composites［J］．China Plastics，2009，23（8）：69-73．

［11］J?rdens C，Wietzke S，Scheller M，et al．Investigation of the Water Absorption in Polyamide and Wood Plastic Composite by Terahertz Time-domain Spectroscopy［J］．Polymer Testing，2010，29（2）：209-215．

［12］黃潤(rùn)周，張 洋．無(wú)機(jī)填料/木粉/R-PE的復(fù)合材料熱膨脹性能與彎曲性能的研究［J］．木材加工機(jī)械，2014，25（6）：15-18．Huang Runzhou，Zhang Yang．The Thermal Expansion and Flexural Properties of Wood Plastic Composites［J］．Wood Processing Machinery，2014，25（6）：15-18．

Study on Applications of Different Inorganic Fillers in Polyethylene Wood-plastic Composites

SONG Jianqiang1，PENG Hesong1，WANG Guangshuo1，WANG Yumei2
（1．Jiangxi Guangyuan Chemical Co，Ltd，Ji’an 331500，China；2．Dongguan CHNV Technology Co，Ltd，Dongguan 523525，China）

In this study，polyethylene（PE）wood-plastic composites were prepared with addition of calcium carbonate，talc powder and wollastonite as inorganic fillers．Particle size，morphologies and specific surface areas of these inorganic fillers were examined，and the effects of these fillers on various properties of the composites were investigated．The mechanical results indicated that bending strength of the composites with wollastonite achieved an optimum value while the composites containing talc powder obtained better impact toughness．Most of all，the mechanical properties，specific gravity，water absorption and hardness of the composites were improved gradually with addition of inorganic fillers up to 15 phr．However，when the inorganic fillers were excessive over 20 phr，the density and hardness of the composites still kept an increase，but their water absorption and linear thermal expansion coefficients tended to decrease．

wood-plastic composite；calcium carbonate；wollastonite；talc powder；mechanical property；density；water absorption

TQ320

B

1001-9278（2017）01-0070-05

10．19491/j．issn．1001-9278．2017．01．013

2016-08-16

聯(lián)系人，420266044＠qq．com