MAH接枝改性對(duì)木塑復(fù)合材料耐候性的影響

高 華， 黃海兵， 朱香菊， 湯紅梅

(1.貴州民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.黑龍江省木材科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；3.貴州廣播電視大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550020)

木塑復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱WPC)作為一種綠色環(huán)保材料，兼具木質(zhì)材料和聚合物材料的某些優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于戶外建筑設(shè)施，替代木材、金屬和無(wú)機(jī)非金屬等制品。對(duì)于在戶外使用的WPC制品，陽(yáng)光照射及風(fēng)吹雨淋是不可避免的，WPC制品長(zhǎng)期在水分和光照的作用下會(huì)出現(xiàn)表面褪色、翹曲、斷裂破壞等現(xiàn)象，大大降低了美觀性和使用壽命，因此其耐候性是值得關(guān)注的主要問(wèn)題之一。關(guān)于木塑復(fù)合材料的耐候性已有一系列成熟的研究方法及大量的研究成果，其中短期試驗(yàn)是評(píng)估其耐候性的方法之一，加速老化處理(如水浸泡、煮沸、冷凍、紫外光照射等)因易于執(zhí)行，比戶外暴露測(cè)試更標(biāo)準(zhǔn)化，是目前采用較多的耐候性研究方法[1-2]。

Soccalingame等對(duì)比純PP、10%和30%木粉增強(qiáng)PP復(fù)合材料(PP/WF10和PP/WF30)紫外老化結(jié)果，研究顯示PP沒(méi)有觀察到特定的視覺退化，木質(zhì)復(fù)合材料表面具有很強(qiáng)的視覺變化，并且這些木材顆粒表面出現(xiàn)許多裂紋，在PP/WF30暴露的表面上還出現(xiàn)發(fā)粉現(xiàn)象，而PP/WF10上不存在[3]。不同粒徑木纖維增強(qiáng)的聚乙烯基復(fù)合材料老化后，大尺寸(10～20目)木纖維填充木塑復(fù)合材料的抗彎性能比其他的好，并且沖擊強(qiáng)度提高幅度最大，但老化到一定程度后，10～20目木纖維填充木塑復(fù)合材料的彎曲模量快速下降，并與相應(yīng)含20～40目和40～80目纖維的材料趨于一致[4]。Lee等比較了基于PE、PP、PS及其相應(yīng)再生料(rHDPE-I和rHDPE-II、rPP、rPS)木塑復(fù)合材料的耐老化性，紫外加速老化2 000 h后檢測(cè)結(jié)果顯示，基于rHDPE-II的復(fù)合材料表現(xiàn)出最高的MOR和MOE保留率，而基于PS的WPC的最低?；赑S的WPC由于表面的光氧化而表現(xiàn)出最嚴(yán)重的降解，而基于PE的WPC的降解最輕微[5]。由此可見，木塑復(fù)合材料老化最直接的是引起表面和力學(xué)性能的變化，不僅與木質(zhì)纖維材料的填充量、粒徑大小、基體類型有關(guān)，也取決于塑料基體與木纖維界面的相容性、添加劑、使用環(huán)境及加工方法等因素[6-9]。

本研究分別以聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)以及其馬來(lái)酸酐接枝產(chǎn)物作為基體，制備4種木纖維(WF)增強(qiáng)復(fù)合材料，研究?jī)煞N樹脂改性對(duì)復(fù)合材料的耐水性及紫外光老化對(duì)材料材色和彎曲性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

PP(T30S)、HDPE(2200J)、MAH(化學(xué)純)、過(guò)氧化二異丙苯(DCP 分析純)、丙酮(分析純)、WF(30-50目)、聚乙烯蠟，均為市售。

1.2 復(fù)合材料制備

按10∶1的比例稱取接枝單體MAH和引發(fā)劑DCP，為了使其更好地分散，用丙酮作為溶劑將二者溶解并噴灑到PP和HDPE粒料上，待溶劑揮發(fā)后，在雙螺桿擠出機(jī)中通過(guò)熔融擠出進(jìn)行樹脂的接枝改性，造粒后制得MAH-g-PP和MAH-g-PE。PP、HDPE、MAH-g-PP和MAH-g-PE分別與WF按重量比3∶7混合，并添加2%的聚乙烯蠟，經(jīng)造粒后擠出成型。

1.3 吸水測(cè)試

吸水試驗(yàn)按ASTM D570標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。首先，將所有試件在80 ℃溫度下干燥24 h使其達(dá)到恒重，測(cè)定并記錄試件的重量和厚度，然后將試件分別浸泡在(23±1)℃的蒸餾水中。每隔一定時(shí)間將試件從水中取出，用無(wú)絨布將表面的水除去，然后稱重(精確至0.001 g)并測(cè)量厚度，之后再次將試件浸泡在蒸餾水中。每組5個(gè)試件，結(jié)果取平均值。吸水率Wi和吸水厚度膨脹率Ts分別按式(1)和式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中：w0和t0分別為浸泡前的質(zhì)量(g)和厚度(mm)；w和t分別為浸泡后的質(zhì)量(g)和厚度(mm)。

1.4 老化測(cè)試與性能表征

(1)老化測(cè)試：按ASTM G154標(biāo)準(zhǔn)，用UV-A340型熒光紫外燈對(duì)WPC試件進(jìn)行紫外光加速老化測(cè)試，總計(jì)老化2 000 h，每隔500 h測(cè)一次材色和彎曲性能。

(2)表面材色測(cè)試：采用手持式色度儀(Minolta CR-13)測(cè)定試件的L*、a*、b*，每個(gè)試件選測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值。依據(jù) CIEL*a*b*1976表色系統(tǒng)，由老化前后L*、a*、b*分別計(jì)算對(duì)應(yīng)的差值△L*、△a*、△b*，按式(3)計(jì)算色差△E：

△E=(△L*2+△a*2+△b*2)1/2

(3)

(3)彎曲性能測(cè)試：根據(jù)ASTM D 790標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法，采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，參數(shù)設(shè)置為跨距64 mm、加載速度2 mm/min，每組平行測(cè)試5個(gè)試件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 木塑復(fù)合材料的耐水性

PP基和PE基WPC基體改性前后的吸水率Wi和吸水厚度膨脹率Ts隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。對(duì)PP/WF和PE/WF兩種復(fù)合材料，木纖維和塑料基體之間的結(jié)合差，界面間的間隙和缺陷為水分提供了進(jìn)入的通道，其Wi和Ts在前14天隨著時(shí)間增加迅速，之后吸水速率變化趨于平穩(wěn)；而PP和PE接枝改性后，其木塑復(fù)合材料的Wi和Ts顯著降低，24 h浸水試驗(yàn)結(jié)果顯示，PP基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts分別從基體未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts則分別從4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%，并且隨時(shí)間延長(zhǎng)降速放緩，這可能是基體改性后引入的極性酸酐基團(tuán)可與木纖維表面的羥基反應(yīng)，一方面增強(qiáng)其與木纖維之間的界面相容性，另一方面減少親水性羥基的數(shù)量，從而降低了木塑復(fù)合材料的吸水速率。

2.2 紫外老化性能

2.2.1 紫外老化對(duì)復(fù)合材料表面顏色的影響

復(fù)合材料紫外老化前后的明度△L*和顏色變化△E*情況如圖2所示。從圖2中可以看出，4種復(fù)合材料明度和顏色的變化趨勢(shì)基本一致，前500 h內(nèi)增加幅度最大，之后增加幅度略慢，而且隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)變淺和褪色越來(lái)越明顯?；w改性對(duì)其木塑復(fù)合材料老化前后的顏色變化影響不大，原因可能是復(fù)合材料的褪色主要取決于木纖維，因?yàn)槟纠w維中的主要成分木質(zhì)素容易發(fā)生光致褪色，在紫外光照射下發(fā)生光降解反應(yīng)，生成羧基、醌、過(guò)氧羥基等發(fā)色官能團(tuán)和自由基，進(jìn)而使復(fù)合材料發(fā)生褪色[10-13]。

圖1 木塑復(fù)合材料的吸水率和厚度膨脹率

圖2 紫外老化前后木塑復(fù)合材料明度和顏色的變化

2.2.2 紫外老化對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響

紫外老化前后木塑復(fù)合材料的彎曲性能變化如圖3所示。由圖3可以看出，4種復(fù)合材料的彎曲性能都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，經(jīng)2 000 h紫外老化后，其中彎曲強(qiáng)度分別下降了32.32%、36.38%、37.68%和32.60%，而彎曲模量分別下降了39.24%、40.02%、39.95%和39.15%。由圖中曲線的變化趨勢(shì)可以看出，在前500 h內(nèi)彎曲強(qiáng)度和彎曲模量變化最大，之后二者都隨老化時(shí)間的增加變化放緩?；w經(jīng)過(guò)改性后，其復(fù)合材料的彎曲性能得到很大提高，但老化前期基體改性的復(fù)合材料要比未改性的下降明顯，這可能是基體改性過(guò)程中存在副反應(yīng)，同時(shí)殘留未發(fā)生反應(yīng)的小分子MAH和DCP，使得光降解的引發(fā)源增多[14-16]，而PP由于存在叔碳原子，其復(fù)合材料的耐老化性能較PE基木塑復(fù)合材料稍差。總體來(lái)說(shuō)，基體經(jīng)過(guò)改性的復(fù)合材料仍相對(duì)具有較高的力學(xué)保持率。

圖3 紫外老化前后木塑復(fù)合材料的彎曲性能變化

3 小結(jié)

對(duì)于PP/WF和PE/WF兩種復(fù)合材料，其Wi和Ts在前14天隨著時(shí)間增加迅速，而PP和PE接枝改性后吸水速率減慢，浸泡24 h后PP基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts分別從基體未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑復(fù)合材料的Wi和Ts則分別從4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%。老化結(jié)果顯示，基體改性對(duì)其木塑復(fù)合材料老化前后的明度和顏色變化影響不大，4種復(fù)合材料的彎曲性能在經(jīng)過(guò)2 000 h老化后都有不同程度的降低，雖然老化前期基體改性的復(fù)合材料要比未改性的下降明顯，但總體來(lái)說(shuō)仍具有較高的力學(xué)保持率。