木塑復合材料人工加速老化的研究動態(tài)*

陳 圓 王 欣 胡建鵬

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學材料科學與藝術設計學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

木塑復合材料（Wood plastic composites，WPC）是一種具有巨大潛能的綠色環(huán)保復合材料。WPC主要以廢舊塑料和廢舊木質材料為原料，并添加偶聯(lián)劑或功能助劑，通過模壓、擠出或注塑等方式成型的復合材料[1]。WPC因其成本低、抑菌性強、實用性高等優(yōu)點被廣泛應用于裝飾裝修、建筑、景觀以及園林裝飾等領域。WPC不僅具備木材的高強重比和環(huán)境友好性，還具備塑料的韌性和可加工性，且可回收重復利用，極大地緩解了廢棄木材和塑料帶來的環(huán)境污染問題[2-4]。然而，當WPC長期在戶外服役時，會受到氧、水氣、光、熱、真菌等因素影響，產(chǎn)生老化，使其表面出現(xiàn)粉化、裂紋等現(xiàn)象，性能下降，使用壽命縮短。研究者通過各種技術手段對木塑復合材進行改性處理，能夠提高材料的耐老化性，延長WPC的使用壽命[5-7]。由此可見，對WPC產(chǎn)品在使用過程中的耐老化性開展研究與評價顯得尤為重要。其中，采用人工加速老化試驗法的研究逐漸成為了研究熱點。

本文旨在從方法原理和影響因素的角度對木塑復合材料領域的人工加速老化方法進行系統(tǒng)綜述，以期為提高木塑復合材料耐老化性能的研究提供科學依據(jù)。

1 WPC人工加速老化方法

當前，人工加速老化法是用來評價材料耐老化性能最常用的方法，通過人工方式設定材料所需要的環(huán)境因素，盡可能模擬出和自然條件相類似的環(huán)境。主要方法包括濕熱老化、熱氧老化、光老化、人工氣候箱老化、鹽霧老化、凍融循環(huán)、臭氧老化、抗菌試驗等。相較于自然大氣老化測試方法，人工加速老化法的優(yōu)勢在于能夠極大縮短試驗周期，更快地獲得試驗結果，滿足科研與生產(chǎn)的需求[8]。目前，在WPC研究領域應用最為廣泛的人工加速老化法包括濕熱老化、熱氧老化、光老化以及人工氣候箱老化。

1.1 濕熱老化法

在潮濕的環(huán)境中，植物纖維顆粒會發(fā)生潤脹，水分很容易滲入到木塑復合材料的中心，引起裂紋，導致其性能發(fā)生變化。當前，木塑復合材料被越來越多應用于碼頭、橋梁、河邊棧道等，由于長期浸泡在水中，加速了材料的老化。濕熱老化性能對于評價WPC是否能夠長期適用在潮濕環(huán)境具有重要意義[9-10]。濕熱老化法是將所需測試的材料放置在潮濕環(huán)境的設備中，設定與實際應用環(huán)境相符的測試條件，并且確保溫度和濕度的穩(wěn)定性，在一定的試驗周期中，根據(jù)材料性能的變化來評價其耐濕熱性能。研究表明：溫度的升高加速老化進程，因而適當提高溫度可在一定程度上縮短試驗周期。

潘惠等[11]通過添加不同顏料制備了四種顏色的高密度聚乙烯基木塑復合材料，并對材料進行45 ℃的濕熱老化測試，研究顏料對其濕熱老化性能的影響。結果發(fā)現(xiàn)，隨著老化時間延長，材料受熱膨脹，聚合物分子鏈運動加劇，在水分的作用下，少量顏料從材料中析出，導致材料褪色，而添加巧克力色顏料的材料明度變化值最小，褪色程度最輕，表明添加顏料能有效提高木塑復合材料的顏色穩(wěn)定性。徐琪等[12]分別使用甲基丙烯酸甲酯、硅烷偶聯(lián)劑和馬來酸酐對木纖維進行化學處理，而后制備木塑復合材料，并置于80 ℃的恒溫水浴中研究其耐濕熱特性。試驗表明：硅烷偶聯(lián)劑能夠改善木纖維與聚丙烯基體之間的界面相容性，降低了木塑復合材料的吸水性，使其更適用于濕熱的環(huán)境。Wang等[13]采用木粉、聚丙烯和馬來酸酐接枝聚丙烯制成具有不同木粉含量的木粉/聚丙烯復合材料，隨后將其分別放置在23、60 ℃和80 ℃的蒸餾水中進行耐水性試驗。結果表明：溫度可以增加復合材料的吸水率。此外，對比測試了復合材料和純聚丙烯的拉伸和彎曲強度。結果顯示：木粉能夠增強基體抗錯位能力，且木粉中木質素疏水性強，不易被水降解，能夠提高材料的剛度和耐濕熱性能。Lin等[14]采用不同目數(shù)的木粉、聚丙烯和馬來酸酐接枝聚丙烯制成木粉/聚丙烯復合材料，隨后將其分別放置在溫度為23、60 ℃和100 ℃的蒸餾水中進行耐水性試驗。同樣發(fā)現(xiàn)，溫度可加速復合材料的吸水率。此外，結果顯示：經(jīng)偶聯(lián)劑A-1100和馬來酸酐接枝聚丙烯處理后，木粉表面的疏水性提高，且目數(shù)較低的木粉越能有效分隔水從復合材料表面進入其內(nèi)部區(qū)域，使復合材料的耐濕熱性能得到增強。

1.2 熱氧老化法

木塑復合材由于長時間暴露在空氣中，受到溫度和氧氣的影響會發(fā)生緩慢的熱氧老化反應。值得注意的是，高溫時高分子材料的熱氧老化現(xiàn)象更加明顯[15]。熱氧老化試驗是將試樣置于具有高溫和氧的老化試驗箱中進行。在試驗過程中，老化程度受到試驗溫度的選擇、風速的大小和試樣放置的疏密情況等因素的影響。為了加快老化的速度，可在不造成嚴重變形、不改變老化反應的前提下，盡可能提高試驗溫度。另外，提高風速可升高熱交換率，從而加快老化速率。為獲得準確的老化結果，應選擇適當?shù)娘L速并保證風速穩(wěn)定。

雷文等[16]將分別添加了抗氧劑和增容劑的木塑復合材料以及純木塑復合材料放置在70 ℃的試驗箱中進行熱氧老化試驗，并于600 h后取出，在室溫下浸泡在水中。試驗結果表明：當浸泡時間達到200 h后，添加抗氧劑的復合材料，其寬度變化率低于純WPC，說明使用抗氧劑可有效改善熱氧老化對木塑復合材料吸水性能的影響，延長材料使用壽命。陸紹榮等[17]以劍麻纖維和聚丙烯為原料制備木塑復合材料，并將其放入100 ℃的熱氧老化試驗箱中，老化16 h后取出。結果表明：在試驗初期，材料內(nèi)部的聚丙烯和劍麻纖維發(fā)生的交聯(lián)反應使得材料的相容性得到提高，暫時抑制了材料性能減弱的速度。隨著老化時間的延長，氧化降解反應超過交聯(lián)反應，使得聚丙烯發(fā)生無規(guī)則降解，因而材料力學性能下降。余旺旺等[18]以高密度聚乙烯和木粉為原料，以馬來酸酐接枝聚乙烯為界面增容劑，并添加不同量的抗氧化劑制備木塑復合材料，隨后將其放置在70 ℃的試驗箱中進行熱氧老化試驗，于600 h后取出。結果表明，添加抗氧劑可較大幅度提高WPC的彎曲強度，老化600 h后，添加抗氧劑的WPC，其彎曲強度均高于未加抗氧劑的WPC，且含量為2.0%時效果最佳。因此，抗氧劑可有效改善木塑復合材料的耐老化性能。謝雪甜等[7]將黎蒴栲、碳酸鈣和鋁酸類偶聯(lián)劑共混，再加入熱穩(wěn)定劑和光穩(wěn)定劑制成黎蒴栲/聚氯乙烯復合材料，置于溫度交替變化的試驗箱中進行熱氧老化，33.5 d后取出并測量其力學性能的變化。結果顯示：熱氧老化后材料的抗彎強度和抗拉強度有明顯的下降，而添加受阻胺光穩(wěn)定劑和紫外吸收劑UV300后，復合材料的抗彎強度和抗拉強度降低減緩，說明光穩(wěn)定劑能夠加強材料的耐老化性能。

1.3 光老化法

不論是在室內(nèi)還是戶外，WPC的性能因受到太陽光的照射而發(fā)生變化。因此，光老化是木塑復合材最典型的老化形式之一。光老化測試試驗是模擬材料長期暴露在陽光的照射下產(chǎn)生反應的試驗，并且光老化測試試驗采用的光照強度遠高于實際光照，因此可縮短試驗周期，更快得到試驗結果[19]。紫外光因其活性大、能量高，對材料的破壞最為嚴重，所以光老化試驗的光源以紫外光及部分可見光為主[20]。

光老化試驗的燈管主要包括熒光紫外燈、氙燈和碳弧燈等。熒光紫外燈老化主要模擬紫外光破壞材料性能，該試驗將需測試材料放置于老化試驗箱內(nèi)，設定一定的周期、溫度、濕度和照射強度，同時還可以通過冷凝和噴淋模式加速老化試驗[21]。最后根據(jù)試驗前后材料的變化情況，確定其耐光老化性的強弱。氙燈老化主要模擬紫外燈和部分可見光，可通過降雨、濕度和冷凝等多種水分環(huán)境共同作用的方式加速老化試驗，還可通過不同的組合方式達到不同的模擬效果[22]，目前已成為主要的人工加速光老化試驗方法。碳弧燈的模擬效果比熒光紫外燈和氬燈差，通常不推薦。

文霞等[23]將聚丙烯、杉木粉、馬來酸酐接枝聚丙烯及三種光穩(wěn)定劑混合制備木塑復合材料，并將其放置在紫外燈老化設備中老化1 000 h。結果表明：純WPC顏色變化最明顯，添加苯并三唑類光穩(wěn)定劑的WPC顏色變化最小，說明光穩(wěn)定劑能夠有效改善復合材料的耐老化性能。Stark等[24]在木粉/高密度聚乙烯復合材料中添加了光穩(wěn)定劑，并置于紫外線下暴曬2 000 h。結果顯示：未添加光穩(wěn)定劑的復合材料，其彎曲強度和彈性模量下降更為明顯。Muasher等[25]通過添加不同的受阻胺類光穩(wěn)定劑和紫外線吸收劑制備了木粉/高密度聚乙烯木塑復合材料，并對比其室外環(huán)境和人工紫外加速老化箱中的老化行為，總時長為2 000 h。研究發(fā)現(xiàn)，與自然光相比，紫外光照射更容易使材料發(fā)生光漂白，導致樣品的顏色變淺，但同時添加受阻胺類光穩(wěn)定劑和苯并三唑紫外線吸收劑能夠有效減少復合材料的褪色，加強了WPC的耐光老化性能。

1.4 人工氣候箱法

氣候的影響使木塑復合材在各個階段都可能發(fā)生性能變化，例如變色、性能下降、開裂、剝落、粉化、氧化等。主要原因是陽光（特別是紫外光）、高溫以及雨水、露水等形成的濕氣，當WPC處于光照和濕氣共同作用時，其本身單一的耐光性和抗?jié)裥阅芗眲∠陆?。人工氣候箱老化法就是用人工的方法模擬和強化材料在自然氣候中受到的光、氧、熱、降雨、濕氣等為主要破壞的環(huán)境因素，在實驗室條件下通過較短的時間評價復合材料的耐老化性能[26-27]。與光老化法不同，人工氣候箱法除了能夠模擬光、氧、熱等因素，還能夠進行溫濕度的調節(jié)，使木塑復合材料的測試更貼近自然環(huán)境。

倪欣宇等[28]將聚氯乙烯、木粉、碳酸鈣和鋼材混合制成木塑/鋼材復合材料，將其放置在（60±3）℃的紫外燈下輻照暴露8 h后，在（50±3）℃下無輻射的冷凝條件中暴露4 h，循環(huán)往復，總時間為250 h。對比添加鋼材和未添加鋼材復合材料的抗彎強度的變化。結果表明：添加鋼材的復合材料，其抗彎性能比普通木塑復合材料有顯著提高，且延展性提高了約3倍，表明鋼材優(yōu)良的力學性能有助于提高WPC的耐老化性能。

1.5 其他老化方法

目前，抗菌老化法與鹽霧老化法等已被廣泛應用在高分子復合材料領域，借此評價復合材料在特殊環(huán)境下的耐久性。然而上述老化方法在木塑復合材料領域未見報道。

1.5.1 抗菌老化法

塑料因其質輕、機械性能優(yōu)異、便于加工等優(yōu)點在包裝市場上得到廣泛的應用。在實際生產(chǎn)中，一般會在塑料中加入抗氧化劑、增塑劑、紫外光吸收劑等添加劑以提高塑料的性能，使其免于在光照、氧氣和微生物等作用下發(fā)生老化、霉變等現(xiàn)象[29]。但添加劑的加入使微生物具有了更適宜繁殖的環(huán)境，導致塑料包裝成為了細菌污染源和疾病傳播源，從而危害人類健康。因此，對于包裝材料的抗菌試驗的研究顯得尤為重要。

宋洪澤等[30]采用納米銀、納米氧化鋅、抗氧化劑168和低密度聚乙烯制備塑料片材，通過貼膜法對片材進行抗菌試驗。研究表明：雖然納米銀、納米氧化鋅抑菌持久性較好，但二者對塑料片材的抗菌性均無顯著影響；而抗氧化劑168雖然沒有抗菌性，但其處理片材的抗菌率可達90.41%，認為是其降解產(chǎn)物具有抗菌性。

1.5.2 鹽霧老化法

鹽霧環(huán)境中氯化物的含量較高，對復合材料的腐蝕速度明顯增加，是天然環(huán)境中的幾倍或幾十倍[31]。因此，人工模擬鹽霧環(huán)境測試能夠在較短的時間里確定復合材料耐老化性能。

徐志偉等[32]將碳纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂混合制成環(huán)氧樹脂/混合纖維復合材料，置于溫度為（35±2） ℃，腐蝕介質為5%的NaCl溶液中進行600 h的鹽霧試驗。結果顯示：鹽霧的滲入腐蝕了樹脂，破壞了纖維和樹脂的界面結構，導致復合材料質量和拉伸強度下降，復合材料出現(xiàn)微觀缺陷；但在360 h后材料變化趨勢明顯變緩，且在600 h時性能維持不變，說明該復合材料適用于鹽霧環(huán)境。

2 人工加速老化方法的現(xiàn)狀與存在問題

2.1 現(xiàn)狀

通過對WPC在濕熱老化法、熱氧老化法、光老化法以及人工氣候箱法等領域的研究概述，總結當前研究現(xiàn)狀如下：

1） 濕熱老化是目前WPC耐老化性能領域應用最為廣泛的方法之一，材料長期暴露在潮濕的環(huán)境中會加快老化速度，尤其是有些材料在地下工程或者埋在土中、高濕熱廠房、通風不良的倉庫等環(huán)境下。濕熱老化的優(yōu)勢在于可以通過測試，針對需要長期處于潮濕環(huán)境的材料提前采取相應措施。

2） 熱氧老化的主要影響因素是溫度和氧氣，溫度的升高可以加快材料的氧化反應。針對長期暴露在溫度較高環(huán)境中的材料，可添加抗氧化劑抑制氧化反應來減緩材料老化速度，或是添加相關材料使復合材料內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)反應，提高材料的相容性，抑制材料性能衰減速度。

3） 光老化主要以熒光紫外燈、氙燈和碳弧燈老化等方法為主，其中紫外光的破壞最為嚴重。添加合適的光穩(wěn)定劑能夠有效抑制或減弱光降解反應，提高材料的耐老化性。

4） 人工氣候箱法不僅能夠設定光和溫度等因素對材料的影響，還能調節(jié)材料所需的濕度環(huán)境，使測試環(huán)境更貼近現(xiàn)實，試驗數(shù)據(jù)更具真實性。由于人工氣候箱法的測試條件比較復雜且儀器價格較高，目前該方法的應用研究較少。

2.2 存在問題

綜上可知，人工加速老化方法已被廣泛應用到木塑復合材料領域，并取得了一定成果，但仍存在以下三個方面的問題：

1） 熱氧老化和光老化測試方法通常是分析WPC在單一因素（如溫度、光波頻率等）下的老化效果，雖然上述兩種方法的老化降解機制已被學者闡述清楚，但與復雜自然條件下的老化降解機制相比，仍存在較大差距。

2） 濕熱老化和人工氣候箱老化法可同時設置兩個或兩個以上影響因素（溫度、濕度、水分、光照類型及光波頻率等）對WPC進行老化處理，能在一定程度上解釋WPC在復雜環(huán)境下的老化降解機制，但是缺少與自然老化法的相互印證與聯(lián)系。

3） 著眼于木塑復合材料今后更為廣闊的應用前景，目前抗菌老化、鹽霧老化等特殊環(huán)境條件下的老化研究值得關注。

3 結語

就科研需求和材料實際應用價值方面而言，人工加速老化法能夠快速獲得木塑復合材料老化性能的結果。建議今后的研究中圍繞以下幾個方面展開：

1）加強人工加速老化方法與自然老化法之間的試驗數(shù)據(jù)對比，構建相關聯(lián)系機制，有利于進一步對WPC的實際應用效果進行評價。

2）通過計算機和數(shù)學方法建立加速老化模型，不斷豐富數(shù)據(jù)，對模型參數(shù)進行修正改進，利用智能網(wǎng)絡實現(xiàn)對WPC性能與使用壽命的預測。

3）加強抗菌測試、鹽霧測試等人工加速老化測試方法在WPC研究領域的拓展應用，為WPC在今后更廣闊的應用提供科學依據(jù)。