景觀設(shè)計(jì)中的變色木塑復(fù)合材料制備及性能試驗(yàn)

俞兆江

摘 要：針對(duì)景觀設(shè)計(jì)中變色木塑復(fù)合材料顏色單一和抗疲勞性差的問題，提出在高度聚乙烯基木塑復(fù)合材料表面用熱壓覆貼工藝覆蓋光致變色粉末末，增加木塑復(fù)合材料的顏色變化。通過對(duì)光致變色木塑復(fù)合材料性能的考查，探討光致變色木塑復(fù)合材料的影響因素。結(jié)果表明，硅油能促進(jìn)復(fù)合材料顏色變化，增加顏色變化的穩(wěn)定性，但會(huì)影響復(fù)合材料力學(xué)性能;復(fù)合材料的抗疲勞時(shí)間與光致變色材料粉末有很大關(guān)系，但與是否含有硅油無(wú)關(guān)。

關(guān)鍵詞：光致變色粉末;老化性能;變色木塑復(fù)合材料;性能測(cè)試

中圖分類號(hào)：TQ638 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2021）11-0072-06

Preparation and Performance Test of Color Changing Wood Plastic Composite in Landscape Design

Yu Zhaojiang

（Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China）

Abstract：For the problem of single color and poor fatigue resistance of discoloration wood plastic composite in landscape design， it is proposed to cover the end of photochroplastic powder with thermal coating process on the surface of highly polyvinyl wood plastic composite， and increase the color change of wood plastic composite. By examining the properties of photochrome wood plastic composites， the influencing factors of photochromic wood plastic composites are discussed. The results show that silicone oil can promote composite color change and increase the stability of color change， but will affect the mechanical properties of composite; fatigue resistance time is related a lot to photochromic material powder， but unrelated to whether it contains silicone oil.

Key words：photochromic powder; aging performance; discoloration wood plastic composite material; performance test

0 引言

木塑復(fù)合材料主要為生物質(zhì)材料（秸桿、竹材等）與熱塑性塑料（聚丙烯、高密度聚乙烯等）經(jīng)特定加工制成的新型復(fù)合材料，兼具熱塑性材料和生物質(zhì)材料的特點(diǎn)。這種材料源自20世紀(jì)80年代的美國(guó)，最初主要用于塑料的改性產(chǎn)品，后隨科學(xué)進(jìn)步的發(fā)展，慢慢發(fā)展為新型材料，被廣泛運(yùn)用于家具、景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。目前，針對(duì)木塑復(fù)合材料的研究主要集中在復(fù)合材料改性、制備方法等，如段婧婷等（2021）在木塑材料中摻入礦物填料，以提高木塑材料的強(qiáng)度[1];肖峰等（2021）則歸納了木塑材料的增強(qiáng)改性，包括添加偶聯(lián)劑、增韌劑等[2]。在制備方法上，光致變色復(fù)合材料主要通過成膜、直接摻雜、原位沉積、接枝或共聚等方式。如采用原位氣相沉積法制備具有明顯變色性能的氧化物與聚合物復(fù)合的納米材料;Linda等采用溶膠-凝膠法制備有機(jī)和無(wú)機(jī)的光致變色材料，從而在光照強(qiáng)烈時(shí)可變色，減少光的透射[3]。在木塑復(fù)合材料的相關(guān)研究中，學(xué)者們開發(fā)了不同類型的木塑復(fù)合材料，對(duì)木塑復(fù)合材料的應(yīng)用范圍進(jìn)行擴(kuò)大。本研究從光致變色角度，利用共擠出制備方法制備復(fù)合材料，并將該復(fù)合材料應(yīng)用到木塑材料中。

1 材料與方法

1.1 試劑及材料

馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）（尚溪（上海）化工助劑有限公司）;楊木粉（陜西盛恒生物科技有限公司，40～80目）;聚丙烯（PP）（山東鼎盛工程材料有限公司）;光致變色粉末（深圳市添金利新材料科技有限公司）;高密度聚乙烯（HDPE）（河北雄安華塑新材料科技有限公司）;二甲基硅油（CP）（山東穗華生物科技有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

WAW-600C萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南一格儀器設(shè)備有限公司）;LJ2019雙螺桿造粒機(jī)（張家港市聯(lián)江機(jī)械有限公司）;KT530熱壓機(jī)（東莞市金拓機(jī)械有限公司）;HT-UVA紫外線老化儀（東莞市匯泰機(jī)械有限公司，德州潤(rùn)澤土工材料有限公司）;CS-420B分光測(cè)色計(jì)（重慶市松朗電子儀器有限公司）;RDS高速混合機(jī)（南通羅斯混合設(shè)備有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 聚丙烯光致變色材料的制備

按照表1的配比稱取一定的聚丙烯、光致變色粉末以及二甲基硅油，放入SYH型高速混合機(jī)中混合攪拌，時(shí)間為15 min;對(duì)混合均勻后的物料造粒處理，造粒時(shí)需注意在螺旋桿前段放置保溫裝置。待物料達(dá)到所需量，將造粒物料取出并置于熱壓鋼墊板上，將材料熱壓為純聚丙烯光致變色材料，材料厚度為4 mm。制備試件分為兩大組：一組添加二甲基硅油;另一組未添加二甲基硅油。

將雙螺桿分為7個(gè)區(qū)，溫度區(qū)間在155～175℃，進(jìn)料口的前端配置170℃的存料加熱套，熱壓溫度為180℃，熱壓和冷卻時(shí)長(zhǎng)為2 min。

1.3.2光致變色木塑復(fù)合材料制備

將本試驗(yàn)制備好的聚丙烯光致變色材料鋸成接近100 mm×100 mm的正方形，然后在180℃的熱壓機(jī)中，將其壓制成厚1 mm的薄片。

將自制的木塑復(fù)合材料裁剪為若干長(zhǎng)160 mm的小條，平鋪在墊板上。在高度聚乙烯表面貼附光致變色薄片后進(jìn)行熱壓，得到聚丙烯基變色木塑復(fù)合材料，該材料厚度為4 mm。

1.4 性能表征

1.4.1 彎曲性能測(cè)試

參照ASTM D 790—2003標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定彎曲性能。制備尺寸為80 mm×13 mm×4 mm的彎曲試件。每組6個(gè)，設(shè)置WAW-600C型萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)跨距和加壓速度分別為64 mm和2 mm/min。

1.4.2? 人工老化分析

利用紫外加速老化儀模擬復(fù)合材料老化。首先將80 mm×13 mm×4 mm的試樣置放于HT-UVA型紫外線老化儀夾板上，并按照要求設(shè)置老化程序。設(shè)一個(gè)周期為12 h，前8 h在強(qiáng)度0.77 W/m2、波長(zhǎng)340 nm的強(qiáng)度紫外線下進(jìn)行照射，后4 h將其放置在水槽下方擁有加熱裝置且濕度為100%的檢測(cè)室中進(jìn)行冷凝。老化過程中，在一定間隔時(shí)間對(duì)同一位置進(jìn)行顏色測(cè)定，直至肉眼判斷復(fù)合材料無(wú)法進(jìn)行光致變色。每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)定5個(gè)試樣。

1.4.3? 顏色變化測(cè)試

利用CM2300d分光測(cè)色計(jì)對(duì)原始狀態(tài)和激發(fā)狀態(tài)的5組試件顏色進(jìn)行測(cè)定，從而獲得顏色的L*、a、b值，然后根據(jù)GB/T 7921—2008標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算色差。其中，經(jīng)紫外光照射前為原始狀態(tài)，照射1 min后為激發(fā)狀態(tài)。

2 結(jié)果和討論

2.1 彎曲性能分析

圖1、圖2分別為聚丙烯光致變色材料與光致變色木塑復(fù)合材料彎曲性能測(cè)試結(jié)果。橫坐標(biāo)為0，表示未添加光致變色粉末的空白樣。從結(jié)果中看出，無(wú)論是聚丙烯光致變色材料，還是光致變色木塑復(fù)合材料，兩材料的抗彎強(qiáng)度都隨著UV光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐步降低[4]。

由圖1可知，在無(wú)硅油試件中，當(dāng)光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，此時(shí)的彎曲強(qiáng)度為51.68 MPa達(dá)到最高;當(dāng)光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.5%時(shí)，試件彎曲強(qiáng)度降至42.08 MPa，與空白樣相比，彎曲強(qiáng)度下降12%。由此可以說明，UV變色粉的添加存在一個(gè)最佳值，且在該質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，聚丙烯光致變色材料具備較佳的變色功能，此時(shí)對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響最小[5]。同時(shí)對(duì)未添加二甲基硅油組，當(dāng)光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～0.5%時(shí)，抗彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)少許增加，此后下降。出現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因，很可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)直接利用高速混合機(jī)將液態(tài)的二甲基硅油與粉狀原料進(jìn)行混合，造成光致變色粉末凝固，從而導(dǎo)致光致變色粉末分布不均勻所致。因此，將二甲基硅油進(jìn)行霧化處理，可避免出現(xiàn)粉狀原料抱團(tuán)現(xiàn)象，提高聚丙烯光致變色材料的抗彎曲性能。

由圖2可知，光致變色木塑復(fù)合材料通過熱壓工藝制備，由于增加了木塑材料，所以整體的抗彎曲強(qiáng)度相對(duì)于單一的聚丙烯光致變色材料要高，聚丙烯光致變色材料對(duì)光致變色木塑復(fù)合材料的抗彎曲性能起決定性作用[6]。

2.2 材料顏色分析

2.2.1 聚丙烯光致變色材料不同激發(fā)態(tài)下的顏色測(cè)定

表2為聚丙烯光致變色材料經(jīng)紫外線照射前后的顏色變化。由表2可知，聚丙烯光致變色材料在照射前后L*、a*、b*值相差較大，說明照射前后材料的色差變化較大。其中，紅綠色品值增大，黃藍(lán)色品值減小至負(fù)值，即聚丙烯光致變色材料經(jīng)過紫外光照射后，顏色發(fā)生了改變，主要為變?yōu)樯罴t色。

2.2.2 光致變色木塑復(fù)合材料在不同激發(fā)態(tài)下的顏色分析

表3為光致變色木塑復(fù)合材料經(jīng)紫外線照射前后的顏色變化，照射前后分別為原始態(tài)和激發(fā)態(tài)。

由表3可知，所有試件原始態(tài)顏色變化為隨光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，顏色坐標(biāo)由上往下變化;激發(fā)態(tài)試件的坐標(biāo)間接近，無(wú)硅油且添加較少光致變色粉末試件激發(fā)態(tài)和原始態(tài)不接近，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)樵嚰砻娴墓庵伦兩韺雍穸认鄬?duì)較低;光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)在較低的狀態(tài)下，變色功能相對(duì)較小，就算經(jīng)過紫外線照射，顏色變化也不明顯[7]。添加硅油后，試件皆未表現(xiàn)出原始態(tài)與激發(fā)態(tài)顏色相近的情況，這是因?yàn)槎谆栌蛯?duì)光致變色粉末變色反應(yīng)有促進(jìn)作用，且有利于顏色的穩(wěn)定，所以光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，也能讓顏色的變化明顯[8]。

2.3 人工老化過程中材料顏色變化分析

2.3.1? ?聚丙烯光致變色材料不同激發(fā)態(tài)下的顏色測(cè)定

將聚丙烯光致變色材料切成80 mm×13 mm×4 mm的尺寸，然后放在老化儀夾具上進(jìn)行紫外照射，并每天測(cè)量聚丙烯光致變色材料的絕對(duì)色差變化，具體色差變化結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，所有試件的絕對(duì)色差隨人工老化時(shí)間增加而增加，且變化規(guī)律為：老化初期增長(zhǎng)快，老化后期增長(zhǎng)速率則相對(duì)變慢。

圖3（a）中，光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接決定了試件絕對(duì)色差大小;間接決定了絕對(duì)色差值達(dá)到緩慢增加階段的時(shí)間。按照光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大到小排列測(cè)點(diǎn)間色差值大小。P1組試件光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，在第3 d時(shí)，就進(jìn)入到緩慢增加階段;P2組試件在第4 d時(shí)進(jìn)入緩慢增加階段;其余試件皆在7 d左右才進(jìn)入緩慢增加階段。這是因?yàn)楣庵伦兩勰┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)影響了光致變色粉末的降解速度，進(jìn)而影響了試件的顏色改變。

圖3（b）中，所有試件激發(fā)態(tài)絕對(duì)差值比原始態(tài)大2倍。這就證明了在整個(gè)老化過程中，激發(fā)態(tài)顏色改變變化較為明顯之故。原始態(tài)絕對(duì)色差值大于激發(fā)態(tài)，且在激發(fā)態(tài)時(shí)，試件顏色接近。激發(fā)態(tài)絕對(duì)色差是根據(jù)光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)排序。P5組光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，該組試件的絕對(duì)色差值也最大。P1組在第3 d進(jìn)入緩慢增加階段，其余試件在第4 d進(jìn)入緩慢增加階段，該時(shí)間即為光致變粉快速降解階段。

圖3（c）中，試件絕對(duì)色差值比較接近，但P1組試件絕對(duì)色差低。這就證明經(jīng)過二甲基硅油處理后，光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)試件原始態(tài)影響變小。這是因?yàn)樘砑佣谆栌秃?，光致變色粉末自身變?yōu)槟贪咨?，光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，試件顏色皆不同程度的往白色方向進(jìn)行改變 。緩慢增加趨勢(shì)與圖3（c）一致。比圖3（a）中添加了光致變色粉末試件進(jìn)入緩慢增加階段時(shí)間縮短了3 d，這也證明二甲基硅油對(duì)光致變色粉末的降解速率有加快作用[9]。

圖3（d）與圖3（b）中曲線進(jìn)行對(duì)比，所有試件的絕對(duì)色差值都比較接近，光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少試件絕對(duì)色差值提高較為明顯，接近于P5組試件;其顏色差距不大。二甲基硅油對(duì)光致變色粉末開閉環(huán)反應(yīng)起積極作用，也就是說，經(jīng)過二甲基硅油的作用，光致變色粉末受紫外光照射的瞬間就能迅速響應(yīng)并發(fā)生變色。

圖4、圖5分別為未添加硅油試件、添加硅油試件老化時(shí)間變化曲線。

由圖4可知，P1組試件光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，從老化第5 d開始，激發(fā)前后絕對(duì)色差值低于10，到第7 d時(shí)，色差變化非常小;此時(shí)試件并不具備激發(fā)變色功能。P2與P4組、P5與P6組試件變化規(guī)律相似，證明P2組添加量就已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)。在老化初期3 d內(nèi)，光致變色粉末快速降解，后達(dá)緩慢降解階段;同時(shí)，光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響激發(fā)前后色差下降程度。其中，P1組下降最大，這可能是因?yàn)镻1組試件光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，降解時(shí)間最短，使得該試件下降率較大;其余試件色差下降率則較為接近[10]。

無(wú)硅油試件P1組絕對(duì)色差小于7 d時(shí)硅油試件PS1組激發(fā)前后絕對(duì)色差;但差距較小，這可能與試件選擇有關(guān)。其余試件變化趨勢(shì)接近。光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多的試件耐疲勞時(shí)間并非最長(zhǎng)，證明光致變色粉末快速降解后，產(chǎn)物對(duì)后續(xù)降解過程起積極作用。光致變色粉末含量較多，則降解過程變快。人工老化過程激發(fā)前后色差下降與光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接相關(guān)，PS1組和PS2組添加較少光致變色粉末，降解完全，其余試件則只有一點(diǎn)差別。 因此選擇PS3組質(zhì)量分?jǐn)?shù)為適宜添加量。

2.3.2 人工老化過程中聚丙烯基表層光致變色木塑復(fù)合材料的顏色測(cè)定

圖6為光致變色木塑復(fù)合材料試件絕對(duì)色差與人工老化時(shí)間關(guān)系。

圖6（a）、（b）分別為未添加硅油組試件原始態(tài)和激發(fā)態(tài)顏色絕對(duì)色差;圖6（c）、（d）分別為添加硅油試件原始態(tài)和激發(fā)態(tài)顏色絕對(duì)色差。

由圖6可知，光致變色木塑復(fù)合材料試件絕對(duì)色差不遵循光致變色粉末添加量規(guī)律。光致變色粉末添加量較少時(shí)，第2 d幾乎失去變色功能。

由圖6（a）可知，除LP1組試件外，其余試件絕對(duì)色差皆按照表層光致變色粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)多少排序。光致變色粉末自身降解程度造成試件色差，則LP5組試件的絕對(duì)色差值和耐疲勞時(shí)間最大。且光致變色木塑復(fù)合材料比聚丙烯/光致變色粉末復(fù)合材料試件耐疲勞時(shí)間小。對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可知，激發(fā)態(tài)下各組數(shù)據(jù)試件絕對(duì)色差值差距明顯減小，也就是說圖6（b）中不同組試件絕對(duì)色差值曲線彼此較為接近，該變化與聚丙烯/光致變色粉末復(fù)合材料結(jié)果一致。對(duì)比圖6（c）和圖6（a），添加二甲基硅油后，色差波動(dòng)性明顯變大，也就是說，材料不同，測(cè)得的絕對(duì)色差間差異變大。當(dāng)光致變色粉末含量過多，試件絕對(duì)色差波動(dòng)較明顯，說明光致變色粉末被二甲基硅油包裹聚集。對(duì)比圖6（b）和圖6（d），圖中試件絕對(duì)色差曲線彼此間并未表現(xiàn)出接近的情況，LSP5試件與其余試件曲線偏離程度較大。再次證實(shí)光致變粉末出現(xiàn)因二甲基硅油出現(xiàn)包裹。

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)用熱壓覆貼工藝制備光致變色木塑復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行表征，探討了對(duì)其性能的影響因素。

（1）二甲基硅油幾乎不影響光致變色粉末的分布情況;當(dāng)加入二甲基硅油后，對(duì)聚丙烯/光致變色復(fù)合材料和聚丙烯基光致復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生一些不利影響。

（2）聚丙烯/光致變色復(fù)合材料與聚丙烯基光致變色復(fù)合材料顏色變化趨勢(shì)幾乎一致。二甲基硅油能夠促進(jìn)聚丙烯復(fù)合材料顏色變化和穩(wěn)定性的增加。

（3）對(duì)人工老化后試件而言，添加二甲基硅油試件疲勞時(shí)間變化與未添加硅油試件疲勞時(shí)間變化趨勢(shì)幾乎一致，證實(shí)光致變色粉末是影響試件抗疲勞時(shí)間的主要因素。

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