竹粉/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)木塑复合材料的改性研究

马 丽，何 慧，周 凌，罗远芳，贾德民

(华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州，510640)

竹粉/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)木塑复合材料的改性研究

马 丽，何 慧，周 凌，罗远芳，贾德民

(华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州，510640)

研究了竹粉含量对竹粉/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)木塑复合材料力学性能的影响，并采用苯乙烯-顺丁烯二酸酐无规共聚物(SMA)和ABS接枝马来酸酐(ABS-g-MAH)两种相容剂来改善竹粉与ABS之间的界面结合。研究表明，SMA能有效改善复合材料的界面相容性，提高复合材料的力学性能和热稳定性，但对其毛细管流变性能影响不大。

竹粉;ABS复合材料;SMA;ABS-g-MAH

木塑复合材料(Wood-plastic composites，WPC)是国内外近年来蓬勃兴起的一类新型复合材料，它是由木粉、竹粉、稻壳、剑麻等植物纤维与热塑性塑料(例如:聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯等)配以特殊功能改性剂及其他助剂，经塑料成型加工工艺制成的性能优良的复合材料。木塑复合材料具有类似木材的外观和二次加工性，有热塑性塑料的加工性以及比原木更好的尺寸稳定性、防腐蚀性、防虫、防潮，可回收再用，环境友好等优点，因而越来越受到人们的广泛关注［1～6］。然而极性的植物纤维与非极性的塑料基体之间缺乏良好的相容性，导致界面粘结性能较差，限制了复合材料性能的提高。本实验选用目前国内外研究较少的、高性能的ABS作为基体，与竹粉复合制备ABS基木塑复合材料;研究了不同含量的竹粉/ABS木塑复合材料的力学性能;并选取SMA和ABS-g-MAH两种均含有马来酸酐基团的相容剂来改善竹粉与ABS之间的界面粘合，考察了相容剂对竹粉/ABS复合材料力学性能、流变性能、冲击断面形态及热稳定性的影响。对于提高木塑复合材料的性能，拓宽木塑复合材料应用领域具有重要的实际意义。

1 实验部分

1.1 主要原料

ABS，PA-757，台湾奇美实业股份有限公司;竹粉，公司提供，80目;苯乙烯-顺丁烯二酸酐无规共聚物(SMA)，金发科技股份有限公司提供;ABS接枝马来酸酐(ABS-g-MAH)，金发科技股份有限公司提供。

1.2 仪器与设备

XKR-160A型双辊开炼机，广东湛江机械厂;XLB-D型平板硫化机，浙江宏图机械制造厂;HY-W型万能制样机，河北承德大华实验机厂。

1.3 样品制备

在双辊开炼机(辊温170℃左右)上先将ABS混炼至完全塑化，然后加入界面相容剂和竹粉混炼至均匀分散，在平板硫化机(温度180℃)上热压成型，最后将冷却定型的板材在万能裁样机上制成标准试样条。

1.4 性能测试

拉伸性能按GB/T1040-92测试;弯曲性能按GB/T9341-88测试;冲击性能按GB/T1843-96测试。

1.5 热重分析(TG)

竹粉/ABS复合材料的热失重行为用美国TA Instrument公司的Q5000型热重分析仪，升温速率10℃/min，氮气保护，温度范围:室温 ～600℃，记录复合材料的热失重曲线。

1.6 扫描电镜分析(SEM)

将样品用Bio-Rad扫描电镜喷涂系统喷金，用荷兰FEI，Quanta 200型环境扫描电子显微镜观察其形态结构。

1.7 毛细管流变性能测试

毛细管流变仪，型号:CFT-500D，CAPILLARY RHEOMETER SHIMADZV，日本。测试条件:在200℃下改变载荷砝码重量，测试复合材料流动性能与剪切速率之间的关系。

2 结果与讨论

2.1 不同含量竹粉对竹粉/ABS木塑复合材料力学性能的影响

图1 竹粉含量对竹粉/ABS复合材料力学性能的影响Fig.1 Effect of bamboo contents on mechanical properties of ABS composites

图1是不同竹粉含量的竹粉/ABS木塑复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度、弯曲模量曲线。由图1可知，随着竹粉含量的增加，除复合材料的弯曲模量增加外，复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都有不同程度的下降，其中复合材料的冲击强度的下降幅度最大。加入10wt.%的竹粉，复合材料冲击强度降低了约75%。这是因为竹粉中含有大量的极性羟基，表现出很强的化学极性，尽管ABS树脂的分子链中的腈基有一定的极性，但两者的相容性并不乐观［7］。当竹粉加入量大于10wt.%后，复合材料的冲击强度的下降趋缓。拉伸强度和弯曲强度的降低可能是由于竹粉纤维与ABS在载荷的作用下变形不匹配，竹粉与ABS界面承受拉伸载荷较小导致。竹粉纤维的形变小，ABS形变较大，两者在载荷作用下变形不协调，在载荷作用下沿两者的粘接面断裂。且随着竹粉含量的增加，两者的界面增多，同时竹粉的增加会导致其聚集现象加剧，分散性变差，竹粉引起的应力集中及产生缺陷的几率增大，从而导致材料强度的下降［8］。

2.2 相容剂对竹粉/ABS木塑复合材料力学性能的影响

图2 相容剂对竹粉/ABS复合材料力学性能的影响Fig.2 Effect of coupling agents contents on mechanical properties of bamboo/ABS composites

为了改善竹粉与ABS的界面结合，本实验选取了SMA和ABS-g-MAH两种均含有马来酸酐基团的相容剂，研究了其用量对竹粉/ABS木塑复合材料力学性能的影响，如图2所示，复合材料中竹粉的含量为 40wt.% 。

图2(a)显示了复合材料的拉伸强度随两种相容剂用量的变化情况，可以看到在竹粉含量为40wt.%且未添加相容剂时，复合材料的拉伸强度为39.2MPa。随着相容剂SMA和ABS-g-MAH用量的增加，复合材料的拉伸强度增加。当ABS-g-MAH的用量从0增加到12wt.%时，复合材料的拉伸强度由39.2MPa提高至43MPa。这是由于 ABS-g-MAH中的MAH基团可与竹粉纤维中的羟基基团之间发生酯化反应，同时ABS-g-MAH分子主链上ABS链段与基体ABS的大分子链产生物理缠绕等作用，从而有效地改善两相界面，提高复合材料的强度［9］。而SMA是更为高效的界面相容剂，当SMA的用量为12wt.%时，复合材料的拉伸强度提高至48.5 MPa，这可能是由于SMA中MAH基团含量较ABS-g-MAH高的缘故。

图2(b)和(c)分别显示了复合材料的冲击强度和弯曲强度随两种相容剂用量的变化情况，可以看到随着相容剂SMA和ABS-g-MAH用量的增加，复合材料的冲击强度和弯曲强度均呈上升趋势。与图2(a)中的情况类似，SMA对复合材料的界面改善作用较为显著，其用量为12wt.%时，复合材料无缺口冲击强度为8.3KJ/m2，提高了近60%;弯曲强度为 83.2 MPa，提高了 25%。

2.3 竹粉/ABS木塑复合材料结构形貌

图3为添加两种相容剂前后竹粉/ABS复合材料冲击断面的扫描电镜照片。图3(a)是未添加相容剂的竹粉/ABS复合体系，从图中可以明显看到竹粉纤维被抽出后留下的空洞，这表明竹粉与ABS的界面粘接较差，在外力作用下，竹粉在承受较低的外力作用时就可能从其所在原始位置拨出或是断裂，此时竹粉只能传递很小的应力，使材料在较低的能量下就会发生破坏;因此材料表现出较差的冲击韧性。图3(b)是加入12 wt.%ABS-g-MAH的竹粉/ABS复合材料的冲击断面照片，图中已观察不到(a)中竹粉纤维被抽拔出后留下的空洞，表明竹粉与基体ABS的界面粘接得到了一定程度的改善，但竹粉与基体ABS之间仍存在缝隙。图3(c)是加入12 wt.%SMA的竹粉/ABS复合材料的冲击断面照片，由图中可以明显看出竹粉与ABS基体之间形成了良好的粘接界面，竹粉纤维被紧紧的包埋在ABS基体中，两相界面变得模糊，表明ABS与竹粉的界面相容性得到很好的改善。

图3 竹粉/ABS复合材料冲击断面扫描电镜照片(500x)Fig.3 SEM photos of bamboo/ABS composite(500x)

2.4 竹粉/ABS木塑复合材料体系的热稳定性分析

图4是未添加相容剂和添加两种相容剂后的竹粉/ABS木塑复合材料的热失重曲线，表1列出了热分解的具体温度。可以看出，两种相容剂的加入均可在一定程度上提高竹粉/ABS木塑复合材料的热稳定性。复合材料的热分解均分为两个阶段，第一个失重阶段为200℃-360℃，主要是竹粉中的纤维素、半纤维素、木质素和有机小分子物质的热分解，总失重量约占总质量的25%。第二阶段是ABS基体的降解，约从360℃－490℃［10］。复合体系最终约有10%的灰分残留。

图4 竹粉/ABS复合材料的热重曲线Fig.4 TG and DTG curves of bamboo/ABS composites

表1 竹粉/ABS复合材料热分解温度Table1 Decomposition temperature of bamboo/ABS composites

2.5 相容剂对ABS/竹粉复合材料加工性能的影响

图5是ABS和加入两种相容剂前后竹粉/ABS复合材料体系的毛细管流变曲线。从图5中可以看出，随着剪切速率的增加，复合材料体系的粘度均显著下降，呈剪切变稀行为，属于非牛顿型假塑性流体［11］。

竹粉/ABS(40/60)复合材料的熔体粘度大于纯ABS，这是因为竹粉是一种刚性填料，它的加入阻碍了ABS大分子链的运动，从而使得复合材料的熔体粘度上升。两种相容剂的加入均可以降低复合材料体系的粘度，其中加入ABS-g-MAH复合材料体系的粘度下降更为明显，这可能是由于相容剂有助于改善竹粉与ABS基体间的相容性，降低分子链运动时的摩擦力，从而使熔体粘度下降。

图5 相容剂对复合材料体系毛细管流变性能的影响Fig.5 Effect of coupling agents on η-γ curves of ABS composites

通过对剪切速率和剪切应力做线性回归得出的非牛顿指数如表2所示。由表2中数据可见，ABS的非牛顿指数较高，加入竹粉后，熔体的非牛顿指数有所降低，复合材料的非牛顿性增强。而相容剂的加入对复合材料非牛顿指数的影响不大，说明其对复合材料熔体的非牛顿性影响不大。

表2 ABS和ABS复合材料的非牛顿指数Table 2 Non-Newtonian index of ABS and ABS composites

3 结论

(1)随着竹粉用量的增加，竹粉/ABS木塑复合材料的弯曲模量上升，但复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度都有不同程度的下降，其中复合材料的冲击强度的下降幅度较大。

(2)相容剂SMA能明显改善竹粉/ABS木塑复合材料的界面相容性，其效果优于ABS-g-MAH，当SMA的用量为12wt.%时，复合材料的拉伸强度为48.5 MPa，无缺口冲击强度为 8.3KJ/m2，弯曲强度为83.2 MPa，分别提高了24%，60%和25%。

(3)相容剂SMA的加入使竹粉/ABS木塑复合材料的熔体粘度有所降低，热稳定性提高，但对复合材料非牛顿指数的影响不大。

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Study on Modification of Bamboo/ABS Composites

MA Li，HE Hui，ZHOU Ling，LUO Yuan-fang，JIA De-min
(Department of Polymer Material and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China)

The effect of bamboo content on the mechanical properties of bamboo/ABS composites was investigated in this paper，and two different coupling agents SMA and ABS-g-MAH were used to improve the interfacial strength of bamboo-ABS matrix.The results indicate，SMA can improve effectively the bamboo matrix interface binding state of the composites，and a remarkable increase in its mechanical properties and thermostability can be obtained，but had little influence on the capillary rheological properties of the composites.

Bamboo;ABS composites;SMA;ABS-g-MAH

TQ 325.14

2011－06－14

国家自然科学基金(2030403);科技部科技人员服务企业资助项目