木塑復(fù)合材料耐光老化性對籃球架的影響研究

崔吉洋

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

木塑復(fù)合材料被廣泛用于體育器材、室內(nèi)裝修和建筑領(lǐng)域，相較于其他材料，有著成本低、綠色環(huán)保、防蟲防潮等優(yōu)勢。然而，制作為籃球架在室外使用時，無法避免光老化問題，從而影響木塑復(fù)合材料籃球架的使用范圍?？刹捎锰砑涌寡趸瘎?、改變木粉組合、優(yōu)化成型方法、表面涂層等方法對該復(fù)合材料的耐光老化性進(jìn)行改善。以木粉/聚丙烯復(fù)合材料為例，對其耐光老化性進(jìn)行探究。耐光老化性能的提升，也會擴大復(fù)合材料耐腐蝕性強、使用壽命長、力學(xué)性能良好的優(yōu)勢，可促進(jìn)籃球架的使用安全性與舒適性。

1 木塑復(fù)合材料的光老化機理

木塑復(fù)合材料是木纖維或植物纖維與塑料材質(zhì)復(fù)合加工而成的有機高分子材料，屬于新型綠色環(huán)保材料。塑料和木質(zhì)纖維都是高分子材料，高分子材料在受到外界環(huán)境中的水、氧、熱以及化學(xué)介質(zhì)等因素的作用下，其自身物理或化學(xué)結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，從而表現(xiàn)出光老化現(xiàn)象，例如，材料顏色改變、材質(zhì)變脆、韌性和強度降低等。木塑復(fù)合材料在體育領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于籃球架、籃球場地板等。當(dāng)木塑復(fù)合材料在室外長期使用后，會發(fā)生一定程度的光老化，無法滿足籃球架或籃球地板對材料的較高使用要求。

在木塑復(fù)合材料的光老化進(jìn)程中，各組分之間相互影響，相互作用，其光老化進(jìn)程如圖1所示。

圖1 木塑復(fù)合高分子材料光老化進(jìn)程

當(dāng)木塑復(fù)合材料受到紫外線的照射時，木質(zhì)素會吸收大部分的紫外線，造成光降解，產(chǎn)生發(fā)色基團，改變了木粉的顏色。同時，發(fā)色基團和塑料加工時加入的物質(zhì)，對塑料組分的光降解有共同的催化作用，導(dǎo)致塑料的表面開裂、系帶分子斷裂，降低該材料籃球架的力學(xué)性能。

木塑復(fù)合材料的光變色現(xiàn)象，分2個階段進(jìn)行，第1階段是木質(zhì)素的光降解，產(chǎn)生大量發(fā)色基團，導(dǎo)致復(fù)合材料褪色；第2階段是發(fā)色基團減少，產(chǎn)生有漂白效果的對苯二酸物質(zhì)，造成材料顏色改變。另外，環(huán)境中水的存在，也會加速木塑復(fù)合材料籃球架的褪色程度。

除了氧氣和紫外線因素，復(fù)合材料吸潮后，力學(xué)性能也會顯著降低。水分進(jìn)入復(fù)合材料，木質(zhì)纖維的細(xì)胞壁吸水發(fā)生膨脹，界面會有微裂紋出現(xiàn)，影響聚合物與木纖維的界面結(jié)合強度；水分也會加快光降解的進(jìn)程。光線在水的折射或反射作用下，較容易抵達(dá)復(fù)合材料內(nèi)部，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)光老化，嚴(yán)重降低籃球架力學(xué)性能。

2 木塑復(fù)合材料耐光老化性能分析

2.1 木粉組分對復(fù)合材料耐光老化性能的影響

木質(zhì)素纖維素聚丙烯復(fù)合材料的制備

以聚丙烯粉料、毛白楊木粉、木質(zhì)素、纖維素為主要原材料，采用電熱鼓風(fēng)干燥箱在103 ℃條件下對原材料進(jìn)行2 h干燥。設(shè)置6組不同配比的材料，采用高速混合機對材料進(jìn)行混合攪拌，以2 900 r/min速度攪拌4 min。然后采用雙螺桿擠出機進(jìn)行造粒，并粉碎成顆粒狀，物料長度在2～5 mm。稱取180 g顆粒狀物料，放入正方形鐵塊的熱壓模具內(nèi)，上層鋪蓋一層聚四氟乙烯膜，便于脫模，使用熱壓機對其進(jìn)行熱壓，以4 MPa的壓力和180 ℃的溫度熱壓6 min。冷卻后制成木塑復(fù)合材料，尺寸為270 mm×270 mm×3 mm，密度為1.05 g/cm。6組不同成分材料的配方如表1所示。

表1 木質(zhì)素/纖維素/聚丙烯復(fù)合材料配方

實驗方法

因材料自然老化時間較長，采用人工的方式進(jìn)行木塑復(fù)合材料的光老化過程。設(shè)置人工紫外加速老化方法總時長為960 h，以12 h為一個老化周期。采用發(fā)射波長為340 nm的紫外燈管代替太陽光，對材料試樣進(jìn)行紫外輻射，老化箱內(nèi)部溫度為60 ℃左右，并以0.89 W/m的照射強度照射8 h。然后，關(guān)閉紫外燈管，將老化箱內(nèi)部溫度設(shè)為50 ℃。在上一階段中，老化箱底部的水形成水蒸氣，上升接觸到試樣迅速變冷，冷凝成水滴附著在試樣表面，冷凝4 h。對加速老化240、480、720和960 h后的木塑復(fù)合材料試樣，按照ASTM G154─2006標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行性能測試。

每組取3個試樣，每個試樣選擇4個不同的位置。采用測色儀對不同老化時間后的試樣表面顏色進(jìn)行測量，計算顏色總體變化的程度，用色差值(ΔE)表示；采用光澤度儀對6組試樣表面的光澤度進(jìn)行測量，測量前對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，然后將儀器的測量口對準(zhǔn)試樣選定的4個位置，計算得出平均值；

采用微機電子萬能力學(xué)試驗機、材料沖擊試驗機等儀器測試試樣的力學(xué)性能，抗彎性能測試按照GB/T 9341─2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸為65 mm×25 mm×3 mm，以5 mm/min的加載速度均勻施加載荷，記錄最大載荷值，重復(fù)測量6個試樣，取平均值。沖擊性能測試按照ISO 179─1:2010標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸為80 mm×10 mm×3 mm，重復(fù)試樣數(shù)為8個，取平均值作為結(jié)果。

實驗結(jié)果

(1)顏色變化：在老化進(jìn)程的前480 h，試樣表面的顏色變化較為明顯；老化960 h后，第1組的色差值大于50。添加了木質(zhì)素的試樣表面褪色較為明顯，且木質(zhì)素含量越高，顏色變化越明顯。老化后，木質(zhì)素含量最高的第6組，色差值達(dá)到了70，說明木質(zhì)素是造成木塑復(fù)合材料器材褪色的主要因素；相比之下，僅添加纖維素的試樣表面顏色較為穩(wěn)定，在老化進(jìn)程中，其色差值一直低于20。

(2)光澤度變化：試樣經(jīng)老化后，表面出現(xiàn)了開裂和粉化的現(xiàn)象，光澤度下降；在老化后的240 h，通過對比第2組和第3組，發(fā)現(xiàn)只有聚丙烯的試樣光澤度與老化前相比變化很小；而摻入了纖維素的試樣表面光澤度變化很大，說明纖維素可促進(jìn)聚丙烯的光降解。對比后3個組發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素含量最高的第6組，光澤度變化小于其他2個組，說明木質(zhì)素可有效保護復(fù)合材料的表面光澤度；老化720 h后，各組試樣的光澤度數(shù)值趨于一致。

(3)力學(xué)性能變化：老化240 h后，第3組試樣的力學(xué)性能變化較大，彎曲強度保持率降低到了老化前的50%以下；老化960 h后，其沖擊強度保持率只要29.3%。添加了木質(zhì)素的試樣，其隨著老化時間的增加，抗彎曲強度和抗沖擊強度的變化均較小，說明木質(zhì)素的加入，有助于保持木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。

2.2 有機抗氧化劑對復(fù)合材料耐光老化性能的影響

與抗氧化劑復(fù)合材料的制備

增加了純度為98%的維生素E(VE)和亞磷酸三酯(抗氧化劑168)參與木塑復(fù)合材料的制備。木粉與聚丙烯的質(zhì)量比為4∶6，VE的添加量為木粉和聚丙烯總質(zhì)量的0.1%、0.2%、0.4%和1.2%，分別用A、B、C、D這4個小組代表這4種VE添加量。另外，由于VE成本較高，且單獨使用時自由基清除不徹底，因此選取了抗氧化劑168作為輔助抗氧化劑。設(shè)置對照組，加入抗氧化劑168與VE復(fù)配，各組分添加量如表2所示?？寡趸瘎┑目偺砑恿繛閺?fù)合材料總質(zhì)量的1.2%。木粉/聚丙烯復(fù)合材料的制備方法與上述實驗的造粒熱壓制備方法一致。

表2 VE與抗氧化劑168的復(fù)配配方

實驗方法與結(jié)果

實驗方法與上述實驗一致。無添加抗氧化劑、單獨添加VE、VE與抗氧化劑168復(fù)配這3種體系對木塑復(fù)合材料的耐光老化性能的影響結(jié)果：

(1)VE的加入，幾乎沒有改變原木塑復(fù)合材料的表面顏色和彎曲前強度。老化過程中，VE減緩了復(fù)合材料的光降解進(jìn)程，且VE含量越高，試樣的耐光老化性更強。VE的添加，可抑制復(fù)合材料表面的光老化褪色，復(fù)合材料彎曲性能得到有效保持，表面裂紋較少；

(2)相比于添加一種抗氧化劑，二者的復(fù)配體系對木塑復(fù)合材料的光老化抑制效果更好。添加復(fù)配體系的復(fù)合材料在老化前后的表面顏色變化較小，彎曲性能保持較好，彎曲性能保持率由高到低依次為：1組、2組、3組、4組、對照組；

(3)當(dāng)VE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、抗氧化劑168質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l.0%時，試樣在老化前后的表面顏色變化程度最小，彎曲性能保持率最高。

3 木塑復(fù)合材料耐光老化性保護對籃球架的作用

3.1 延長籃球架的使用壽命

在籃球架的結(jié)構(gòu)中，籃球板最容易發(fā)生損壞。為滿足籃球板透光率的需要，許多籃球板采用鋼化玻璃制作，但室外溫度劇烈變動情況下，容易出現(xiàn)自爆的問題。而木塑復(fù)合材料是一種高分子有機物，有著質(zhì)輕、密度小、強度高的優(yōu)勢。對于籃球架而言，更強的質(zhì)量有助于籃球架使用壽命的延長。木塑復(fù)合材料中二氧化硅、二氧化鈦、VE等物質(zhì)的添加，能夠顯著增加復(fù)合材料的耐光老化性，對延長木塑復(fù)合材料籃球架的使用壽命有著重要意義。

3.2 增強籃球架的耐腐蝕性

籃球支撐柱與底部箱體容易腐蝕生銹，不僅影響使用安全性也影響使用壽命。對木塑復(fù)合材料的耐光性進(jìn)行保護研究，可在不改變原復(fù)合材料優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，通過助劑改善、調(diào)整木塑復(fù)合材料的密度、強度等，也可進(jìn)一步增強復(fù)合材料自身的抗強酸堿、耐腐蝕、防水等性能。同時，木塑復(fù)合材料的耐光老化性保護研究，可有效解決籃球架普遍面臨的真菌及白蟻的侵蝕和繁殖問題，減少生物腐蝕現(xiàn)象，便于對籃球架的日常維護和管理。為增強耐光老化性，通常對籃球架進(jìn)行表面涂飾處理；同時，涂層的存在，也增強了籃球架對雨水的耐侵蝕性。

3.3 增強籃球架的力學(xué)延展性能

耐光老化性作為增強木塑復(fù)合材料的基礎(chǔ)保護，是提升復(fù)合材料其他性能的重要途徑。相較于金屬和木質(zhì)材料，塑料材料有著較好的力學(xué)延展性；而木塑復(fù)合材料作為纖維增強材料，有著更加優(yōu)越的柔韌性、力學(xué)拉伸強度、彈性模量，等等。上述實驗結(jié)果也表明，木塑復(fù)合材料的耐光老化性能的增強，也進(jìn)一步擴大了其彎曲性能、沖擊性能優(yōu)勢，從而高速、有效地提高籃球架的力學(xué)延展性。綜合性能的改善，能夠提升體育運動中籃球架的使用舒適性，提高運動效果。

4 結(jié)語

綜上所述，木塑復(fù)合材料作為一種新型環(huán)保材料，可用于籃球架的設(shè)計與制造。但該材料籃球架在室外使用也避免不了光老化問題。以木粉/聚丙烯復(fù)合材料為例，探究了木粉組分和有機抗氧化劑對復(fù)合材料耐光老化性能的影響，當(dāng)VE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、抗氧化劑168質(zhì)量分?jǐn)?shù)為l.O%時，材料的耐光老化性能最佳。木質(zhì)素的存在有助于復(fù)合材料的力學(xué)性能的保持，纖維素的加入有助于增強老化過程中的顏色穩(wěn)定性。耐光老化性的增強，也進(jìn)一步延長了其使用壽命、增強了耐腐蝕性以及力學(xué)延展性等，有助于提升木塑復(fù)合材料籃球架的使用安全性與舒適性。