改性木粉/PVC复合材料的制备与性能研究

刘丽，任秀艳，吴广峰

(长春工业大学 化学工程学院，长春 130012)

聚氯乙烯(PVC)是当前世界重要的通用塑料之一，它是生产塑料管材，电线，门窗框架及建筑板材等的主要材料。近年来，木粉增强PVC复合材料因其具有较好的机械性能、抗潮湿、抗真菌和可循环利用等特点而被广泛研究[1]。

木粉/PVC复合材料研究的热点之一是解决木粉和PVC基体的两相相容性问题。由于木粉表面带有大量极性羟基基团，具有很强亲水性，与疏水性聚和物基体间的界面相容性差。因此，改善木塑两相的界面相容性成为提高复合材料机械性能的关键因素。目前对相容性的改善方法主要有加入偶联剂[2-4]、相容剂[5]和木粉表面改性[6]等方法。本文利用在水相中荧光灯照射下对木粉表面进行PMMA接枝改性的方法，有效改善木粉/PVC复合材料的力学性能，为解决木塑两相的界面相容性问题提供了有效途径。

1 实验

1.1 试验原料

聚氯乙烯(PVC)：SG-5，四平昊华化工有限公司；松木粉：60目，滕州市鹏程木粉有限公司；甲基丙烯酸甲酯(MMA)、过硫酸钾(KPS)和丙酮：分析纯，北京化学试剂公司；三盐基硫酸铅、硬脂酸钙、ACR和KM355均为市售。

1.2 木粉的改性

在装有搅拌装置、冷凝管和氮气导管的三口烧瓶中装入一定量的去离子水和引发剂(KPS)。待KPS溶解之后，再将一定量的未处理的木粉浸入烧瓶内，搅拌使木粉与KPS水溶液充分接触，并通氮除氧10min。之后用40W荧光灯照射反应体系30min。将反应温度升至60℃，并开始向反应体系内滴加接枝单体MMA(KPS/MMA=2wt%)，滴加完毕后继续反应3h。将产物倒出抽滤并干燥。将干燥后的产物置于充足的丙酮溶剂内回流4h，并趁热过滤以除去接枝反应中形成的PMMA均聚物，将得到的改性木粉烘干至恒重，封好备用。

1.3 试样制备

由PVC树脂100份、热稳定剂3份、硬脂酸钙2份，ACR和KM355分别为2份和10份配成基本原料，经过高速搅拌机充分混合后备用。

将改性木粉和上述基本原料按照5/95、15/85、25/75、35/65和45/55的比例混合均匀，在SK-160B型双辊开炼机上于170℃混炼后，在XLB型平板硫化机上压片，温度180℃，预热10min后热压3min，继续冷压至室温脱模，裁切成标准试样用于性能测试。

1.4 表征与测试

红外光谱：在Nicolet公司的Avatar R360型红外光谱以上分别测定木粉和改性木粉的红外光谱，样品通过与KBr压片方法制备。

拉伸性能：按照GB/T1040-1992塑料拉伸试验方法，裁制样条(尺寸为长35 mm、宽4 mm、厚1 mm)进行测试。

冲击性能：按照GB1843-80塑料悬臂梁型冲击试验方法，测试了缺口试样的冲击消耗功，并计算得到试样的冲击强度。

SEM分析：将试样在液氮下淬断，表面喷金处理，用JSM-5500LV型扫描电镜观察断面木粉形态及分散情况。

2 结果与讨论

2.1 改性木粉的红外表征

为了表征木粉表面接枝后的结构变化，对木粉及改性木粉进行了红外光谱测试。图1为两种木粉的红外光谱图。图中可见，a为未处理木粉的谱图，b为接枝PMMA的木粉的谱图，二者相比发现，接枝后木粉在1734 cm-1处出现一较强的吸收峰，为酯羰基(–C=O)的吸收峰，同时3400 cm-1附近羟基(–OH)的吸收峰变小，这说明了通过接枝反应在木粉表面上部分接枝了PMMA链。

图1 木粉(a)及改性木粉(b)的红外光谱图Fig.1 FTI Rspectra of wood-flour(a)and modified wood-flour(b)

木粉表面接枝MMA的反应机理如下：

2.2 改性木粉对拉伸性能的影响

图2为不同含量的木粉和改性木粉对木塑复合材料拉伸强度影响。从图中可见，含有改性木粉的复合材料的拉伸强度较高。这是因为未经处理的木粉的表面带有大量的羟基，它和PVC树脂基体的相容性差，拉伸强度较低；当木粉表面接枝了PMMA之后，PMMA分子链通过化学键连接在木粉的表面，PMMA链段和PVC基体能够很好的相容，有利于改性木粉在PVC基体中均匀分散，能够对外力所施加的载荷进行传递，所以复合材料的拉伸性能有所提高。除此之外，随着木粉含量的增加，复合材料的拉伸强度呈现先升高再下降的趋势。这说明了适量的木粉会对材料起到增强的作用，提高材料抵抗断裂的能力，但木粉的继续增加会因为PVC基体与木粉填充物复合界面相容性不理想导致材料的拉伸强度和模量都有所降低。

图2 木粉及改性木粉/PVC复合材料的拉伸强度与木粉含量关系Fig.2 Variation of tensilestrength of WF/PVC and modified WF/PVC with WF content

2.3 改性木粉对冲击性能的影响

图3为不同含量的木粉和改性木粉对木塑复合材料缺口冲击强度的影响。图中可见，随着复合材料中木粉含量的增加，其缺口冲击强度降低，并且改性木粉复合材料的冲击强度较高。这是因为，木粉的加入增加了材料的刚性，同时使材料变脆，从而使缺口冲击强度下降。但是木粉改性后会使材料的冲击强度有所提高。对于固定的木粉含量(15 wt%)，复合材料的冲击强度由4.24 KJ/m2提高到5.07 KJ/m2，提高了19.6%。根据两相界面复合理论[7]，界面间的孔隙和裂纹是应力集中点，是影响材料性能的主要原因之一。在木粉表面接枝PMMA能够更有效的改性木粉和PVC树脂基体之间的粘结，有利于对载荷的传递，改善了两相的界面相容性，提高材料的冲击性能。

图3 木粉及改性木粉/PVC复合材料的冲击强度与木粉含量关系Fig.3 Variation of Izodim pactst rength of WF/PVC and modified WF/PVC with WF content

2.4 木粉/PVC复合材料的SEM分析

图4为木粉/PVC复合材料断面SEM形态。图中可见，(a)中改性木粉在PVC基体中分散较均匀，团聚颗粒较少，PVC基体与改性木粉界面融合较紧密，相容性较好；(b)中未经改性的木粉在PVC基体内出现较明显的团聚现象，且木粉与PVC界面出现明显裂缝，相容性不好。

3 结论

通过水溶液中表面接枝PMMA的方法对木粉表面进行改性，红外光谱显示了木粉表面引入了PMMA链；制备了改性木粉/PVC复合材料，与未处理木粉体系进行比较显示其拉伸强度和冲击强度均有较大提高；SEM电镜显示改性木粉与PVC基体的界面粘结紧密，复合体系相容性好。

图4 改性木粉/PVC(a)和木粉/PVC(b)复合材料断面SEM形态Fig.4 SEM micrograph soffra cturesur faces of modified WF/PVC and WF/PVC

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