木粉/UPR复合材料的制备及力学性质研究

刘文广 ，李红媛 ，王战玲 ，刘 智

（1.哈尔滨化工研究所，黑龙江 哈尔滨 150020；2.东北林业大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

不饱和聚酯树脂（UPR）是一种具有比强度高、介电性能好、耐化学腐蚀等优点的热固性工程塑料，被广泛应用于建筑、交通、电气、航空等领域[1，2]。但由于UPR存在韧性差，质脆的缺点，限制了其应用范围，所以科研工作者们开展了大量的关于不饱和聚酯改性方面的研究工作。目前，应用比较多的改性填料有纤维[3]、晶须[4]、无机填料[5]、共混聚合物[6]等。木粉主要来源于木材加工剩余物，密度小，可再生，价格低廉，已经成为木塑复合材料常用的添加物。国外对于木粉增强UPR复合材料的研究比较早[7，8]，而国内对于此类研究还鲜有报道。

本文制备了木粉/UPR复合材料，考察了木粉表面处理方法对复合材料界面性能的影响，研究了木粉粒径及添加量对复合材料加工条件、力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 试剂及原料

191#UPR（工业级 常州市武进南方合成材料厂）；过氧化甲乙酮（工业级 天津大港化工三厂）；异辛酸钴（工业级 天津大港化工三厂）；BYK-A500消泡剂（工业级 德国毕克化学公司）；乙烯基三乙氧基硅烷（工业级 哈尔滨化工研究所）；落叶松木屑（废弃物 哈尔滨市木材加工厂）。

1.2 仪器设备

RT-34研磨式粉碎机（北京鑫环亚科技有限公司）；标准筛框（浙江省上虞县纱筛厂）；RGM-X020电子万能实验机（深圳市瑞格尔仪器有限公司）；XJC-25D冲击试验机（承德精密试验机厂）。

1.3 木粉/UPR复合材料的制备

用研磨式粉碎机将落叶松木屑粉碎，收集通过40、60、80目标准筛框分离的粉末；将木粉用硅烷偶联剂的乙醇溶液浸泡2h，抽滤，产品在60℃下真空干燥8h,经过硅烷偶联剂改性的木粉记为MW,未经过表面处理的木粉记为UW，用数字表示木粉的目数。

称取UPR及一定比例的过氧化甲乙酮和BYK-A500搅拌均匀，再加入一定质量的木粉，混合均匀后滴加异辛酸钴快速搅拌，将复合物浇注于模具中，固化后脱模。

1.4 测试与表征

1.4.1 凝胶时间的测定 根据GB/T7193-2008不饱和聚酯树脂试验方法中25℃凝胶时间的测试方法，将不饱和聚酯、木粉和固化剂在25℃水浴下混合均匀，促进剂滴加完毕后搅拌并开始计时，直至出现拉丝状态时为止。

1.4.2 力学性能测试 样条在23℃下老化30d后，按照标准GB/T 2567-2008树脂浇铸体性能试验方法，用电子万能试验机测定复合材料的拉伸、弯曲强度；用冲击试验机测定材料的冲击强度。

2 结果与讨论

2.1 表面改性对复合材料性能的影响

分别用MW60和UW60同191#UPR制备了木粉/UPR复合材料，两种复合材料在不同木粉添加量下的凝胶时间和力学性能测试结果列于表1。

表1 表面改性对复合材料凝胶时间和力学性能的影响Tab.1 Effect of surface modifying of woodflour on gel time and mechanical properties of composites

从表1发现，随着木粉添加量的增加，木粉增强复合材料的凝胶时间增长，这是由于加入填料使树脂预聚体粘度增大，助剂分散不均匀，以及填料的稀释作用使引发剂、促进剂的引发效率降低，复合材料的凝胶时间增长。复合材料的拉伸强度和抗冲强度随着木粉添加量的增加先提高后降低，当MW的添加量相对于复合材料的质量达20（wt）%或UW添加量为15（wt）%时强度达到最大值。这是由于不饱和聚酯是脆性材料，而木粉具有一定的弹性，对基体材料有增韧的效果，当复合材料受应力作用时木粉可以吸收部分能量，提高材料的抗拉抗冲强度。但当木粉添加量超过最适比例后，木粉在树脂中不能均匀分散，团聚的木粉间靠范德华力作用相互吸附，粘结强度小，而且易夹带气体，造成复合材料的结构缺陷，使材料的强度降低。复合材料的弯曲强度随木粉的添加一直降低，这可能是由于木粉耐压强度差并且降低了不饱和聚酯的交联造成的。

在相同的木粉添加量下，用乙烯基硅烷偶联剂对木粉进行表面处理后制备的复合材料的凝胶时间要比用未处理木粉制备的复合材料的凝胶时间略短，可能是由于偶联剂改性后木粉表面的极性降低，与树脂的相容性得到改善，填料和助剂在预聚体中分散均匀，引发反应效率高，而且偶联剂分子上的乙烯基官能团参与交联反应，使复合材料的凝胶速度加快。改性后木粉与不饱和聚酯树脂的界面相容性改善，界面间的化学键接力增强，所以MW/UPR复合材料的力学强度高于UW/UPR复合材料。

2.2 木粉粒径对复合材料性能的影响

3种不同粒径的木粉用硅烷偶联剂处理后，与UPR制成复合材料，3种复合材料力学强度的变化趋势见图1～3。

图1是3种MW/UPR复合材料拉伸强度变化曲线。

从图1中可以看出，复合材料的拉伸强度相对于纯不饱和聚酯树脂都有提高，说明3种粒径的木粉对复合材料都有增强的作用。在MW添加量小于20（wt）%时，MW40/UPR 的强度大于 MW60和MW80填充的复合材料，这可能是由于40目木粉粒径大，增韧效果明显；当MW添加量大于20（wt）%后，木粉在树脂中的分散以及和树脂的浸润粘接对复合材料强度的影响起主要作用，所以这时MW80/UPR的抗拉性能优于其它两种复合材料。

图1 MW/UPR复合材料拉伸强度与粒径的关系Fig.1 Effects of different MW sizes on the tensile strength of MW/UPR composites

MW/UPR复合材料的弯曲强度曲线见图2。

图2 MW/UPR复合材料弯曲强度与粒径的关系Fig.2 Effects of different MW sizes on the flexural strength of MW/UPR composites

由图2可知，3种复合材料的弯曲强度随添加量的增加一直下降，MW80/UPR的弯曲强度高于其它两种复合材料，这可能是由于MW80粒径小在树脂中分散均匀，样条均一性好，平均承担应力，所以弯曲强度高。

图3为MW/UPR复合材料抗冲强度的变化趋势。

图3 MW/UPR复合材料冲击强度与粒径的关系Fig.3 Effects of different MW sizes on the impact strength of MW/UPR composites

由图3可见，当木粉添加量小于10（wt）%时，木粉在树脂基体中分散良好，40目的木粉体积更大，吸收能量效果更好，所以这时MW40/UPR复合材料的抗冲性能好。当木粉添加量大于15（wt）%以后，木粉在树脂中的分散和浸润变差，界面粘接强度减小，甚至出现界面分层，从而影响复合材料的抗冲强度，而MW80比其它两种粒径较大的木粉在树脂中的分散性更好，所以MW80/UPR冲击强度更高。

3 结论

（1）相对于未改性的木粉，用硅烷偶联剂处理的木粉对不饱和聚酯树脂有更强的增强作用，添加量为20（wt）%的MW/UPR复合材料的拉伸强度比纯UPR提高74.4%，比UW/UPR复合材料提高52.4%；其抗冲强度比纯UPR增加36.1%，比UW/UPR复合材料增加26.6%；

（2）木粉的粒径对MW/UPR复合材料力学性能的影响较为复杂，当木粉添加量较小时木粉自身韧性对材料强度影响较大，当木粉添加量较大时木粉与树脂基体间的界面性质起决定作用，复合材料力学强度的大小是两种因素共同作用的结果。

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