木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化性能分析

譚偉平，肖生苓

(東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

復(fù)合材料的耐老化性能是衡量產(chǎn)品性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它是指復(fù)合材料抵抗溫度、水、光等環(huán)境因素作用的最大承受能力，是綜合評價(jià)復(fù)合材料實(shí)際使用質(zhì)量優(yōu)劣的最有說服力的指標(biāo)［1］。因此，木塑復(fù)合緩沖包裝材料的老化性能研究，對于其投入實(shí)際生產(chǎn)和使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究是以木粉、PVC樹脂為原材料，應(yīng)用PVC樹脂、木質(zhì)纖維改性以及改善界面相容性等技術(shù)手段，在添加如偶聯(lián)劑、增塑劑、潤滑劑、熱穩(wěn)定劑和發(fā)泡劑等特制助劑的基礎(chǔ)上，采用一定工藝制備的木塑復(fù)合緩沖包裝材料。

1 木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化原因分析

木塑復(fù)合緩沖包裝材料在使用過程中，容易受到外界如光照、溫度、濕度、機(jī)械應(yīng)力及細(xì)菌侵襲等老化因素的影響，木塑復(fù)合材料的表面氧化及吸濕導(dǎo)致界面分離和材質(zhì)結(jié)晶度改變等因素的綜合作用使其拉伸性能、壓縮性能、剪切性能、彎曲性能和沖擊性能等力學(xué)性能下降。

影響木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化性能的因素有很多，這里探究其主要的配方組分 (木粉、PVC樹脂、偶聯(lián)劑、增塑劑等)對其老化性能的影響。

1.1 木粉

木質(zhì)剩余物本身的老化過程與實(shí)木的老化過程相似［2］。木塑復(fù)合緩沖包裝材料中的木粉由于日光的照射，尤其是日光中紫外線的照射，會使復(fù)合材料質(zhì)地松軟、粗糙和脫落，使材料的表觀性能發(fā)生變化，研究證明，紫外線光照射加噴水處理實(shí)際上會沖刷掉一層木質(zhì)素，使木材降解［3］，木材表面遭到破壞，使得水分更容易進(jìn)入材料內(nèi)部，水分的侵入減小了材料界面的粘合力，進(jìn)而降低了基體與填充材料之間的應(yīng)力傳遞，水分進(jìn)入材料內(nèi)部，使得材料整體發(fā)生膨脹，材料內(nèi)部部分產(chǎn)生細(xì)微裂紋，水分與光線更容易進(jìn)入材料內(nèi)部，進(jìn)一步加速了材料的老化，遭受破壞后生成水溶性產(chǎn)物并最終形成發(fā)色官能團(tuán)，如羧基、過氧羥基等結(jié)構(gòu)，成為木材褪色的主要原因。木塑復(fù)合材料中的木粉還會受到真菌的腐蝕，破壞其中的纖維素和木質(zhì)素等，使得材料的力學(xué)性能降低。

木塑復(fù)合材料的主要組分之一是木粉，木粉中含有大量的植物纖維，植物纖維表面含有大量的羥基，具有很強(qiáng)的極性，是親水性物質(zhì)［4］，木塑復(fù)合材料的吸水主要是由木粉中的木質(zhì)纖維引起的，木粉中含有的水分子也降低了木塑復(fù)合材料中特制助劑的作用，特別是當(dāng)木粉含量較大而又發(fā)生聚團(tuán)時(shí)，木塑復(fù)合材料就更容易吸水［5］。長時(shí)間暴露于外界的木塑復(fù)合材料，水分會使木材基體發(fā)生溶脹，當(dāng)剪應(yīng)力大于黏合力時(shí)，就會引起脫黏破壞兩種物質(zhì)的化學(xué)結(jié)合［6］，進(jìn)而減小了木塑復(fù)合材料木粉與聚合物的結(jié)合應(yīng)力，加劇了材料內(nèi)部的開裂，從而加速了材料的老化。

另外，復(fù)合材料的質(zhì)量還會由于外界的擠壓碰撞以及機(jī)械摩擦而降低。木塑復(fù)合緩沖包裝材料主要用于防止外界物理作用對物品的破壞，材料中的氣泡更容易在外界擠壓碰撞下減少，使得材料變得堅(jiān)硬，失去材料應(yīng)有的特性。

1.2 PVC樹脂

PVC樹脂是一種極性非結(jié)晶性高聚物。它的化學(xué)性穩(wěn)定，具有良好的可塑性?？赡痛蟛糠謴?qiáng)酸和鹽類以及還原劑和氧化劑;離開火焰自熄，是一種“自熄性”、 “難燃性”的物質(zhì)。但是，它在100℃以上的溫度下，開始分解并釋放HCL，并且隨著溫度的升高，分解的速度加快，導(dǎo)致PVC的顏色也發(fā)生變化。PVC樹脂在高于100℃的溫度下，物理及化學(xué)性質(zhì)開始發(fā)生變化，使其強(qiáng)度及幾何性能降低。

木塑復(fù)合材料的主要組分是植物纖維 (本文是木粉)和塑料 (本文是PVC樹脂)，一定溫度范圍內(nèi)，溫度對植物纖維的強(qiáng)度較?。?］，但是對塑料的強(qiáng)度影響較大，因此，溫度主要是通過影響塑料強(qiáng)度來影響木塑復(fù)合材料的強(qiáng)度［8］。隨著溫度升高，木塑復(fù)合材料中的塑料基體大分子鏈運(yùn)動加劇而發(fā)生斷裂，高聚物降解，其原有的分子組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，分子間作用力減弱，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度減小，斷裂伸長率增加，降低了材料的力學(xué)性能。

1.3 偶聯(lián)劑

偶聯(lián)劑主要用于改善填充劑的分散度以提高加工性能以及增強(qiáng)材料的界面性能。偶聯(lián)劑的使用增強(qiáng)了木粉與樹脂的粘合強(qiáng)度，使界面層傳遞應(yīng)力，提高復(fù)合材料的性能?？梢?，偶聯(lián)劑的老化對復(fù)合材料的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。常使用的偶聯(lián)劑主要有硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑。硅烷偶聯(lián)劑含有可以水解的烷氧基，其遇水水解，降低了復(fù)合材料的力學(xué)性能，因而其耐候性差，且用硅烷偶聯(lián)劑處理過的木粉能降低式樣的氣體滲透能力［9］。而鈦酸酯偶聯(lián)劑具有很好的水解穩(wěn)定性，適用于含濕量較高的填充劑。偶聯(lián)劑的使用提高了材料的耐老化性、耐磨性和耐應(yīng)力等性能。含有鈦酸酯化學(xué)結(jié)構(gòu)的偶聯(lián)劑，如果在材料中過剩，能使復(fù)合物表面的性能發(fā)生變化，粘度大幅降低。

1.4 增塑劑

增塑劑用于增加復(fù)合物的塑性，在木塑復(fù)合緩沖包裝材料的使用中還用于泡孔的形成。增塑劑在木塑復(fù)合材料中的含量，對泡孔的形態(tài)有重要的影響。木塑復(fù)合材料中的的增塑劑容易受外在環(huán)境如溫度、使用時(shí)間及pH值等因素的影響而釋放到外界環(huán)境中去;增塑劑很不穩(wěn)定，在與非極性油脂的物品的接觸過程中，容易從木塑復(fù)合材料中溢出，尤其隨著外界濕度高低的不斷變化，復(fù)合材料內(nèi)的含水率起伏變化，小分子添加劑增塑劑容易隨著復(fù)合材料中水分的運(yùn)動而溢出。

2 木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化設(shè)備及使用注意事項(xiàng)

在木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化性能的研究中，其老化性能的測試是最重要的。老化方法一般分為自然老化和人工加速老化，自然老化是最能反映材料實(shí)際老化的結(jié)果的，但其試驗(yàn)周期長，不適用于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。人工加速老化能夠擬補(bǔ)自然老化周期長的缺點(diǎn)，雖然由于某些老化因素組合難以模擬，使得人工加速老化實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與自然環(huán)境下得到的試驗(yàn)結(jié)果有所差異，但對于測試材料的老化性能沒有太大影響［10］。因此，人工加速老化在時(shí)機(jī)試驗(yàn)中較為常用。

為了模擬自然氣候以便在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造人工氣候，來進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，一般采用老化儀進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 老化試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)所采用的光源，人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)可分為紫外碳弧形、陽光碳弧形、紫外熒光燈型、氙弧燈型和金屬鹵素?zé)粜偷取?/p>

2.2 老化試驗(yàn)設(shè)備的比較

紫外碳弧形裝置的特點(diǎn):此裝置光譜不足，難維護(hù)，需噴水淋溫，不能校正。

陽光碳弧形裝置的特點(diǎn):此裝置的碳棒中含有某種特殊金屬元素，光譜能量的分布較為接近太陽光。陽光碳弧裝置的短波紫外線太強(qiáng)，地球表面沒有此太陽光，破壞加速，與實(shí)際不符。長波紫外線與可見光與日光相差較大，不能校正，維修成本高，需噴水淋降溫。

氙弧燈型裝置的特點(diǎn):此裝置分為水冷和風(fēng)冷型，結(jié)構(gòu)上分為樣板固定和旋轉(zhuǎn)式。其與戶外暴曬相關(guān)性較好，特別用于了解光照導(dǎo)致顏色變化的研究。氙弧燈型裝置的投資和運(yùn)行費(fèi)用較高，但低于陽光碳弧形裝置。

紫外熒光燈型裝置的特點(diǎn):此裝置能在相對較窄的波長間隔內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)光譜，通常分布成弱峰。光源中的UVA燈管產(chǎn)生的從300～340 nm的波長與日光有很好的相符性，但它也發(fā)出大量波長低于300 nm的射線，正好位于太陽光波長范圍外，這就導(dǎo)致了戶外不會發(fā)生的老化過程的發(fā)生，即會引起非自然光化學(xué)變化。紫外熒光燈型幾乎沒有可見光部分，有許多褪色變化受可見光影響，因此，涉及到顏色變化的老化試驗(yàn)不建議用此法。但它具有加速性較好，光譜穩(wěn)定，模擬露水侵蝕簡便。相對氙弧燈型裝置，價(jià)格、運(yùn)行成本和維修成本較低，操作簡單，校準(zhǔn)方便。

2.3 人工模擬設(shè)備注意問題

(1)與戶外環(huán)境準(zhǔn)確匹配。人工加速老化設(shè)備對試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置很靈活，可以根據(jù)不同地域、不同氣候的差異進(jìn)行設(shè)置，這樣才能更接近反映材料在真實(shí)自然氣候下的各種性能。

(2)不改變降解機(jī)理，與戶外暴曬具有相關(guān)性。材料在戶外陽光下的作用下降解，進(jìn)而發(fā)生老化，對材料的老化性能產(chǎn)生影響的主要是陽光中可見光和紫外線，因此，選用氙弧燈型裝置比較符合自然條件下的老化。

(3)可重復(fù)性和可再現(xiàn)性。試驗(yàn)時(shí)，同一人用同一實(shí)驗(yàn)設(shè)備對同一材料樣品進(jìn)行多次測量，對測量值進(jìn)行差異比較;不同人用同一實(shí)驗(yàn)設(shè)備對同一材料樣品進(jìn)行多次測量，對測量值進(jìn)行比較。這樣做能夠在一定程度上減小偶然誤差和人為因素帶來的誤差。

(4)要素的獨(dú)立控制。在研究某一要素對材料老化性能的影響時(shí)，在對該要素進(jìn)行改變的同時(shí)，要保持其他要素不變，這樣才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(5)與真實(shí)時(shí)間相比具有加速性。人工加速老化實(shí)驗(yàn)法相對于自然老化，最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠加速材料老化，從而縮短試驗(yàn)時(shí)間。

3 結(jié)束語

木塑復(fù)合緩沖包裝材料老化與多種因素有關(guān)，材料的各組分的用量、性能以及制備工藝都對材料的老化性能有一定的影響。本文首先分析了木塑復(fù)合緩沖包裝材料的老化性的影響因素:木粉、PVC樹脂、偶聯(lián)劑、增塑劑。再次簡單講述了人工氣候老化試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)類型，和每一種裝置的各自使用事項(xiàng)及優(yōu)缺點(diǎn)。最后，列舉了使用人工模擬設(shè)備應(yīng)注意的相關(guān)問題。

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