微发泡木塑复合材料耐腐性能的研究

朱 远，姜志宏

（浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300）

木塑复合材料（WPCs）是指以一定比例混合的天然纤维材料与热塑性塑料，添加特定助剂后，经特殊工艺处理加工成型的一种新型环保材料[1]。因其结合了木材和塑料的双重优点，被运用于各种领域，市场前景广阔。

作为一种新的材料，木塑复合材料在使用过程中除因热塑性塑料而致的长期蠕变的缺点外，也曾发现存在腐朽的现象。Morris等在 1998年发现了木塑复合材料在野外土壤中及走廊地板上产生了腐朽现象[2]。Mankowski和Morrell等在2000年发现在木粉含量高的HDPE木塑材料中存在明显的腐朽现象，并通过电镜观察到了腐朽菌的生长[3]。Pendleton等人把HDPE木塑复合材放到有白腐菌、褐腐菌的培养皿中，结果发现在大多数条件下均没有显著的腐朽现象，通过扫描电镜观察到了菌丝体较集中生长在木粉与塑料的界面上[4]。此外 ,美国硼砂防腐实验室的试验结果也表明，霉腐真菌能引起WPCs制品10% ～ 20%的质量损失[5]。李大纲等研究了几种不同木塑材料的耐腐性能，发现木塑复合材料的总体耐腐性能较好，质量损失率在2.6% ～ 5.1%，特别发现内部夹竹条的木塑材料因竹条端部暴露而质量损失率稍大[6]。然而，对PVC微发泡木塑复合材料的天然耐腐性能研究的相关文献几乎没有，研究木塑比对木塑材料耐腐性能的文章也不多见。因此，本文对实验室自制 5种不同木塑比的PVC微发泡木塑复合材料进行天然耐腐性能试验，旨在探明木塑比对木塑复合材料天然耐腐性能的影响。

1 材料与方法

1.1 试材与试菌

试材：小型木塑生产线自制的5种挤出成型的PVC木塑复合材料，木塑比为30/100，35/100，40/100，45/100，50/100（分别记为木30，木35，木40，木45，木50）；试件尺寸：20mm×20mm×5mm，每种材料取6块试件。试件上下两个正方形表面因模压而使木质材料未直接暴露于外，其余表面因锯切形成断面而使木质材料直接暴露于外。

对照试材：马尾松边材，试件尺寸：20 mm×20 mm×10 mm，6块试件。

饲木：马尾松边材；尺寸：22 mm×22 mm×3 mm。

实验试菌：绵腐卧孔菌（Poria placenta）（褐腐菌）。

1.2 主要设备仪器

101A-3型电热鼓风恒温干燥箱（温度300℃±2℃），MJX-150恒温恒湿培养箱（温度5 ～ 50℃，相对湿度50% ～ 95%），LDZX-40BI型立式自动电热压力蒸汽灭菌器（压力0.25 MPa，温度126℃），STA409PC同步热分析仪，SS-550型扫描电子显微镜，SW-CJ-1F超净工作台，JJ500型电子天平（感量0.01g），波美比重计（波美度1.00 ～ 1.10）。

1.3 试验方法

参照国家标准GB/T13942.1-2009《木材耐久性性能 第一部分：天然耐腐性实验室试验方法》。

先将试菌接种至装有麦芽糖琼脂培养基的培养皿中培养7 ～ 10 d，接着将菌丝块接种至装有河沙锯屑培养基的广口瓶中，放入饲木，继续培养10 d，然后将木塑试件和马尾松对照材放入广口瓶中长满菌丝的饲木上，在恒温恒湿箱中培养12周后，取出称取试件质量，计算质量损失。计算公式如下：

式中，W1为试样试验前的全干质量，W2为试样试验后的全干质量。

2 试验结果与分析

2.1 木塑复合材料受菌侵染后的质量损失

试件的耐腐性能用试件腐朽后的质量损失百分率来衡量，各试件的耐腐试验结果如表1所示。

表1 不同试件受菌侵染后质量损失率Table 1 Mass loss rate of different tested specimens

由表1可见，经过12周的受菌侵染后，木塑复合材料的质量损失率均较小，保持在3.5%以内，最小的仅为1%左右，属于强耐腐等级；而马尾松边材试件的平均质量损失率达25.20%，约为木塑复合材料的7 ～ 25倍，属于稍耐腐等级。由此说明，木塑复合材料的耐腐性能良好，腐朽后的质量损失率远小于马尾松边材，这是因为木塑复合材料中的木质纤维材料被不易受菌侵染的塑料基质所包围，木腐菌较难进入材料内部腐蚀木质材料，因而木塑复合材料的耐腐性能大大高于木材的耐腐性能。此外，木塑复合材料腐朽后的质量损失率随着材料中木粉含量的提高而增大，木30的平均质量损失率为1.61%，木35为1.69%，木40为2.02%，木45为2.06%，木50为2.99%，这也说明了木塑材料在受菌侵染时，主要是其中的木质材料受到腐蚀，木粉含量越高，其受腐蚀程度也越大。

为进一步验证木粉含量对木塑试件质量损失率的影响，将5种木塑材料的质量损失率进行单因子重复方差分析，结果见表2。

表2 不同木塑比木塑复合材料受菌侵染后平均质量损失率方差分析Table 2 ANOVA on average mass loss rate of different kind WPCs

由表2可见，在α= 0.001水平下，木粉含量对木塑材料的质量损失率影响高度显著。

图1为采用指数函数y= a×exp(x/b)＋c对5中木塑材料的平均质量损失率进行拟合，模型参数的拟合值和拟合决定系数如表3所示。

由拟合结果可知，木粉含量对与试件质量损失率大致呈指数关系，指数函数对其拟合结果较好，拟合方程为y= 0.01478exp(x/1.10893)＋1.62704，决定系数R2为0.92358。

图1 不同材料质量损失率平均值的指数函数拟合Figure 1 Exponential function for fitting of average mass loss rate of different kind WPCs

2.2 木塑复合材料受菌侵染前后的扫描电镜（SEM）分析

图2 为木40在腐朽前后表面和断面的电镜扫描图。

由图2可见，木塑材料在腐朽试验前，表面平整光滑，经过 12周的木腐菌侵染后，表面结构仍较为完整，几乎未受破坏，表面菌丝虽经过清理，但在500倍电镜放大后还是能观察到一些菌丝存在于试件表面。而对于木塑材料的断面，由于木质材料直接暴露于外面，木腐菌较为容易进入试件内部进行侵染。在1000倍电镜放大后观察，可以看到腐朽后木塑材料断面明显留有较多的菌丝，这些菌丝主要存在于木粉与塑料的界面空隙中。由此推测，加强木塑复合材料界面的结合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

表3 指数模型参数拟合值及拟合决定系数Table 3 Fitting value of parameters and determination coefficient of fitting model

图2 木塑材料腐朽前后电镜扫描图Figure 2 SEM picture of specimens before and after test

2.3 木塑复合材料受菌侵染前后差示扫描量热法（DSC）分析

图3为木40腐朽前后0 ～ 600℃的差示扫描量热法分析图。

由图3可知，在80℃左右，木塑材料出现了一个明显的吸热峰，这正好与PVC玻璃化转变温度为80℃相符合。在280℃前木塑复合材料腐朽前后的DSC曲线基本保持一致，这正是PVC的热解温度范围，这也再一次说明了木腐菌对PVC的影响微乎其微。在300℃左右，DSC曲线出现了最大的吸热峰，这是因为木材热解生成小分子气体和大分子的可冷凝挥发分而造成的明显失重，这也是木材热解过程中最主要的吸热阶段。从图中可以看出，腐朽后木塑材料的吸热峰略小于腐朽前，说明腐朽后木塑材料中的木质材料受到部分破坏。400℃之后，腐朽后的木塑材料开始出现放热现象，我们认为这是热解残留物进行最后的缓慢分解而放出的热量所致。未腐朽木塑材料要等到510℃以后才会出现这种放热现象。

图3 木40腐朽前后DSC分析Figure 3 DSC picture of one specimen before and after test

3 结论

（1）木塑复合材料天然耐腐性能很好，质量损失率在1.6% ～ 3.0%，马尾松边材的质量损失率为木塑材料的7 ～ 25倍，说明木塑材料的耐腐性能远好于马尾松边材。此外，木塑复合材料的耐腐性能随着木粉含量的提高而降低。

（2）通过电镜扫描分析，木塑材料腐朽后，菌丝主要存在于木粉与塑料的界面空隙中，加强木塑复合材料界面的结合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

（3）通过差示扫描量热法分析，腐朽前后木塑材料的DSC曲线在280℃前基本一致，木塑材料中的PVC材料几乎未受破坏，再一次说明木腐菌主要对木塑材料中的木质纤维材料进行腐朽。

[1]王伟宏，李春桃，王清文. 木塑复合材料产业化现状及制造关键技术[J]. 现代化工，2010（1）：6－10.

[2]Morris P I, Cooper P A. Recycled plastic/wood composite lumber attacked by fungi[J]. For Prod J, 1998, 48（1）：86－88

[3]Mankowski M, Morrell J J. Patterns of fungal attack in wood plastic composites following exposure in a soil block test[J]. Wood Fib Sci, 2000, 32（3）：340－345

[4]Pendlefton. Durability of an extruded HDPE/ wood composite[J]. For Prod J, 2002, 52（6）：21－27.

[5]冯静，施庆珊，欧阳友生，等. 木塑复合材料的霉腐真菌危害及防霉抗菌剂的应用进展[J]. 精细与专用化学品，2007，15（24）：6－9..

[6]李大纲，叶永连. 木塑复合材料对白腐菌的耐久性研究[J]. 中国建材科技，2010（s1）：104－107.