建筑模板用聚乙烯基木塑復合材料的制備及其性能

張燕燕

（鄭州商學院 建筑工程學院，河南省鞏義市 451200）

木材在建筑工程和室內裝修設計領域應用廣泛，然而由于木材日漸加劇的供需矛盾，尋求新型的木材替代材料成為木材相關行業(yè)亟待解決的問題。在這樣的行業(yè)背景下，木塑復合材料的出現(xiàn)則有效緩解了木材供不應求的壓力，而且木塑復合材料的迅速興起也在一定程度上緩解了不可降解高分子材料對環(huán)境造成的污染。因此，木塑復合材料在科學研究和工業(yè)生產中都引起了較為廣泛的關注［1-5］。聚乙烯是全球范圍內年產量最大的熱塑性高分子材料，而且在廢棄塑料中占比也相當大。若將聚乙烯作為基體材料，與木材生產中產生的邊角料進行復合，制備相應的木塑復合材料，將會有巨大的應用前景。聚乙烯是一種非極性的高分子材料，而木材以纖維素為主，表面含有大量極性基團，二者之間的相容性會在一定程度上降低木塑復合材料的應用性能［6-8］。因此，若要制備性能優(yōu)異的聚乙烯基木塑復合材料，解決二者之間的共混相容性則是研究中的重點。聚乙烯與木材之間的相容性提高，相應的木塑復合材料的拉伸性能、膠合性能等力學性能也會得到相應的提升［9-11］。

本工作采用了不同的方法對木材表面進行了預處理，以高密度聚乙烯（HDPE）為基體材料，然后通過熱壓方法制備木材質量分數(shù)為30%的HDPE基木塑復合材料，并對相應木塑復合材料的拉伸強度和膠合強度進行了考察，進一步探究最佳的木塑復合材料制備方法。

1 實驗部分

1.1 主要原料

桐木木片，尺寸為50 mm×40 mm×5 mm，含水率為5%（w）；木質纖維粉：均為自制。木質纖維，含水率為5%（w），長度6 mm，長徑比為2 000，大城縣宇恒膠業(yè)有限公司。HDPE 5000S，中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司。液體石蠟，甲基丙烯酸甲酯，H2O2，鄰苯二甲酸酐，NaOH，無水乙醇：均為分析純，市售。

1.2 主要儀器

1L型密煉機，廣東利拿實業(yè)有限公司；L0003型平板硫化劑，北京藍瑞泰克科技有限公司；UTM6102型電子萬能試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司；MWD-50型木材萬能試驗機，濟南中儀儀器有限公司。

1.3 木片的預處理

將H2O2，NaOH和鄰苯二甲酸酐分別配制成質量分數(shù)為5%的乙醇溶液。液體石蠟和甲基丙烯酸甲酯不做預處理，直接使用。木片的預處理采用涂刷方式進行。首先，將桐木木片于80 ℃干燥24 h以上；然后，利用毛刷分別將液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、H2O2乙醇溶液、NaOH乙醇溶液和鄰苯二甲酸酐乙醇溶液涂抹到不同的木片上。涂抹方式為正交十字涂抹，涂抹層數(shù)為3層；涂抹結束后，將木片置于室溫條件下自然風干5 min，使其表面揮發(fā)性物質揮發(fā)；再進行第二次涂抹，工序與第一次相同，重復上述涂抹工藝6次；最后，將預處理后的木片于110 ℃干燥6 h，保證其含水率在5%（w）左右。

1.4 木質纖維粉和木質纖維的預處理

木質纖維的預處理：準確稱取50 g木質纖維，將其分別浸泡在500 mL的液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、H2O2乙醇溶液、NaOH乙醇溶液和鄰苯二甲酸酐乙醇溶液中，30 min后過濾收集木質纖維，將其平鋪并于110 ℃條件下干燥6 h，保證含水率為5%（w）。

木質纖維粉的預處理：將預處理后的木質纖維粉碎成粒徑為43 μm的木質纖維粉備用。按木質纖維的預處理方式進行木質纖維粉的預處理。

1.5 HDPE基木塑復合材料的制備

HDPE/木片復合材料：HDPE與木片按層壓板方式進行復合，層壓板為5層，其中，2層為木片，3層為HDPE。選取2塊木片（每塊質量約3 g），稱取3 phr（4.5 g/phr）HDPE粉末。按HDPE—木片—HDPE—木片—HDPE的次序將原料進行組坯，在160 ℃，3.50 ΜPa條件下熱壓10 min，最終制備了HDPE/木片復合材料。用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木片，所制HDPE/木片復合材料分別記作1A，1B，1C，1D，1E，對比試樣（木片未處理）記作1F。

HDPE/木質纖維復合材料：料筒溫度為180 ℃時，將質量比為70∶30的HDPE粉末與木質纖維混合并擠出造粒，所制粒料于80 ℃干燥10 h至恒重，然后稱取20 g HDPE/木質纖維復合材料粒料進行組坯，在160 ℃，3.50 ΜPa條件下熱壓10 min，最終制備HDPE/木質纖維復合材料。用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木質纖維，所制HDPE/木質纖維復合材料分別記作2A，2B，2C，2D，2E，對比試樣（木質纖維未處理）記作2F。

HDPE/木質纖維粉復合材料：制備方法與HDPE/木質纖維復合材料相同，用液體石蠟、甲基丙烯酸甲酯、NaOH乙醇溶液、鄰苯二甲酸酐乙醇溶液、H2O2乙醇溶液處理的木質纖維粉，所制HDPE/木質纖維粉復合材料分別記作3A，3B，3C，3D，3E，對比試樣（木質纖維粉未處理）記作3F。

1.6 性能測試

拉伸強度按GB/T 4897—2015測試；膠合強度按GB/T 9846.12—1988測試。

2 結果與討論

2.1 HDPE/木片復合材料的力學性能

從表1可以看出：與對比試樣相比，木片經過處理后，HDPE/木片復合材料的拉伸強度和膠合強度都有所提高。采用5%（w）的鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木片處理后，木塑復合材料的力學性能改善最為明顯，試樣1D的拉伸強度為21.0 MPa，膠合強度為5.21 MPa，與試樣1F相比，拉伸強度提高了19.3%，膠合強度提高了59.8%；試樣1E的拉伸強度為21.7 MPa，膠合強度為5.01 MPa，與試樣1F相比，拉伸強度提高了23.3%，膠合強度提高了53.7%。

表1 HDPE/木片復合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.1 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood chip composites

木片經過預處理后使HDPE/木片復合材料力學性能得到改善，是由于HDPE與木片之間的相容性得到改善所導致的。其中，液體石蠟改善HDPE與木材之間相容性的原理是減小HDPE與木片之間的極性差距。液體石蠟為非極性物質，涂覆于木片表面后，可降低木片表面的極性，使HDPE與木片之間的相容性提升。但由于液體石蠟本身與木片之間的相容性有限，因此對二者相容性的改善也并不明顯，試樣1A的力學性能改善也不明顯。甲基丙烯酸甲酯進行共混增容的基本原理與液體石蠟類似，因此，試樣1B的力學性能改善也不盡理想。NaOH和鄰苯二甲酸酐對木片表面進行預處理，其目的是改變木片表面的酸堿性，通過提高HDPE與木片界面的酸堿匹配度，實現(xiàn)二者界面電子排斥和吸引作用的匹配度。結果表明，酸性界面更有利于提高二者界面之間的吸引力，因此，試樣1D的力學性能改善明顯。H2O2乙醇溶液對木片表面進行處理的主要機理是利用化學反應改變木片表面的化學基團類型，如將強極性的羥基氧化為極性較弱的羰基。這種通過化學反應改變木片表面極性的方法更有效和持久，因此，經過H2O2乙醇溶液處理的木片與HDPE的相容性更好。另外，在木塑復合材料制備過程中，高溫條件下浸入木片的H2O2乙醇溶液也會進入到HDPE基體中，HDPE中含有的少量雙鍵與木片表面的基團發(fā)生反應，使HDPE與木片之間通過共價鍵連接，因此，試樣1E的力學性能改善也較為明顯。

2.2 HDPE/木質纖維復合材料的力學性能

從表2可以看出：與試樣2F相比，試樣2A～2E的拉伸強度和膠合強度都有所提高，采用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木質纖維處理后，試樣2D和試樣2E的力學性能改善也最為明顯。與試樣2F相比，試樣2D的拉伸強度（26.7 MPa）和膠合強度（7.92 MPa）分別提高了29.6%，70.0%；試樣2E的拉伸強度（28.2 MPa）和膠合強度（8.68 MPa）分別提高了36.9%，86.3%。與試樣1A～1F相比，試樣2A～2F的拉伸強度和膠合強度都大幅提高。這是由于，與木片相比，木質纖維的比表面積更大，與HDPE的界面結合強度更高。另外，木質纖維均勻地分散在HDPE基體中，形成一個連續(xù)的承受外界載荷的網絡結構，也有利于木塑復合材料性能的提升。

表2 HDPE/木質纖維復合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.2 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood fiber composites

2.3 HDPE/木質纖維粉復合材料的力學性能

從表3可以看出：與試樣3F相比，試樣3A～3E的拉伸強度和膠合強度都有所提高，采用5%（w）的鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液分別對木質纖維處理后，試樣3D和試樣3E的力學性能改善也最為明顯。試樣3D的拉伸強度為23.7 MPa，膠合強度為6.62 MPa，與試樣3F相比，拉伸強度提高了25.4%，膠合強度提高了64.7%；試樣3E的拉伸強度為24.2 MPa，膠合強度為6.88 MPa，與試樣3F相比，拉伸強度提高了28.0%，膠合強度提高了71.1%。由于木質纖維粉的比表面積高于木片，因此與試樣1A～1F相比，試樣3A～3F的拉伸強度和膠合強度也都大幅提高。不過，由于木質纖維粉比表面積過大，分散在HDPE基體中可能會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，而且木質纖維粉本身承受載荷的能力不如木質纖維，因此，試樣2A～2F的力學性能優(yōu)于試樣3A～3F。

表3 HDPE/木質纖維粉復合材料的拉伸強度和膠合強度Tab.3 Tensile strength and adhesive strength of HDPE/wood fiber powder

2.4 木質纖維含量對木塑復合材料力學性能的影響

采用H2O2乙醇溶液對木材進行表面預處理后，木材與HDPE的相容性及界面結合強度改善更為明顯；與木片和木質纖維粉相比，木質纖維對木塑復合材料的力學性能改善更為明顯。從圖1可以看出：當木質纖維質量分數(shù)由5%增加到30%時，木塑復合材料的拉伸強度呈持續(xù)上升的趨勢，由23.6 MPa提高到28.2 MPa。

圖1 木質纖維含量對木塑復合材料拉伸強度的影響Fig.1 Fiber content as a function of tensile strength of WPC

從圖2可以看出：當木質纖維質量分數(shù)為5%時，HDPE基木塑復合材料的膠合強度為6.25 MPa；當木質纖維質量分數(shù)提高到30%時，HDPE基木塑復合材料的膠合強度達8.68 MPa。由于木質纖維在HDPE基體中的含量過高，也容易發(fā)生團聚現(xiàn)象，因此，未對木質纖維質量分數(shù)高于30%的HDPE基木塑復合材料的性能進行研究。

3 結論

a）采用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液和5%（w）H2O2乙醇溶液對木材處理后，木塑復合材料的力學性能改善最為明顯。

圖2 木質纖維含量對木塑復合材料膠合強度的影響Fig.2 Fiber content as a function of bonding strength of WPC

b）與木片和木質纖維粉相比，HDPE/木質纖維復合材料的性能更為優(yōu)異。

c）用5%（w）鄰苯二酸酐乙醇溶液對木質纖維進行預處理后，木塑復合材料的拉伸強度為26.7 MPa，膠合強度為7.92 MPa；用5%（w）H2O2乙醇溶液對木質纖維進行預處理后，木塑復合材料的拉伸強度為28.2 MPa，膠合強度為8.68 MPa。