LDPE－g－GMA增容LDPE／木质素复合泡沫材料研究

李季 冯钠 杨亮 王晓鹏 王达

（大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连，116034）

低密度聚乙烯（LDPE）泡沫塑料具有良好的力学性能、隔热性、电绝缘性，且无毒无臭，低温性能较佳［1］，被广泛应用于建筑、包装、化工、农业等领域，但LDPE发泡后的制品存在一定的缺陷，如柔软性高、比强度低、阻燃性能差等，应用范围受到了限制［2］。

木质素具有良好的阻燃性及优异的热稳定性，且可降解，密度小，作为填料填充LDPE制备复合发泡材料时，可将其固有的特性移植到泡沫材料中，得到性能优良且成本低廉的材料［3］。由于木质素含有强极性羟基，存在分子内和分子间氢键作用，属于极性高分子材料，与不同的高分子聚合物共混，相容性有很大差异，需要对两者的相容性进行改善。添加适当的增容剂是改善共混体系相容性、提高共混材料力学性能简单有效的方法之一［4］。

下面以LDPE接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯（LDPE－g－GMA）作为增容剂，探讨了 LDPE－g－GMA对LDPE／木质素复合泡沫材料界面改性作用，并研究了LDPE－g－GMA用量对LDPE／木质素复合泡沫材料结构与性能的影响。

1 试验部分

1.1 主要原料及设备

LDPE，18D，黑龙江大庆石化公司；木质素，山东龙力生物科技有限公司；LDPE－g－GMA，接枝率为0.74%，熔体流动速率为1.459g／10min（190 ℃，2.16kg），自制；偶氮二甲酰胺（AC），北京偶合科技有限公司；过氧化二异丙苯（DCP），化学纯，国药集团化学试剂有限公司；氧化锌（ZnO），分析纯，市售；钛酸酯偶联剂，JN－2，常州市吉耐助剂有限公司；石蜡，分析纯，天津市科密欧化学试剂厂。

开放式塑炼机，SK－160B，上海思南橡胶机械有限公司；平板硫化机，QLB－50D／Q，无锡市中凯橡塑机械有限公司；万能制样机，XQZ－1，承德市考思科学检测有限公司；微机控制电子万能实验机，RGT－5，深圳市瑞格尔仪器有限公司；冲击试验机，RXJ－50，深圳市瑞格尔仪器有限公司；扫描电镜（SEM），JSM－6460LV，日本电子株式会社。

1.2 试样制备

分别采用未处理木质素和偶联剂处理木质素（M－木质素）为填料，LDPE－g－GMA 为增容剂，与LDPE，AC，ZnO，DCP按照一定质量比混合均匀，于110℃熔融塑炼240s后进行模压发泡，模压发泡的温度、时间、压力分别为170 ℃，10min，10 MPa，室温冷却，裁成标准样条进行相关性能测试与表征。

研究LDPE－g－GMA对LDPE／木质素复合泡沫材料界面相互作用时，材料编号见表1。

表1 LDPE／木质素复合泡沫材料的编号

研究LDPE－g－GMA用量对LDPE／M－木质素复合泡沫材料性能与泡孔形态的影响时，材料配方及编号见表2。

表2 LDPE／M－木质素复合泡沫材料配方及编号 质量份

1.3 性能测试

表观密度按照GB／T 6343—2009进行测试；拉伸强度按照GB／T 1040—2006进行测试；弯曲强度按照GB／T 9341—2008进行测试；冲击强度按照GB／T 1843—2008进行测试。

1.4 结构表征

SEM分析：将泡沫材料样条在液氮中冷冻30min，然后脆断，喷金，用SEM观察其断裂面，工作电压10kV，并利用Nano－measure测绘软件测定SEM照片中泡孔的平均直径及泡孔分布。

2 结果与讨论

2.1 LDPE－g－GMA增容LDPE／木质素复合材料

2.1.1 LDPE－g－GMA对复合材料性能影响

表3是LDPE－g－GMA对LDPE／木质素复合泡沫材料性能的影响。

表3 LDPE－g－GMA对LDPE／木质素复合材料性能影响

从表3可以看出，LDPE－g－GMA的加入，有效降低了LDPE／木质素复合泡沫材料的表观密度。对于LDPE／未处理木质素复合泡沫材料，表观密度较大，为0.579g／cm3，加入 LDPE－g－GMA 后，表观密度降低。对于LDPE／M－木质素复合泡沫材料，木质素经过偶联剂处理，使得泡沫材料的表观密度较LDPE／未处理木质素复合泡沫材料有较为明显的降低，当加入LDPE－g－GMA后，表观密度降低明显，下降至0.498g／cm3，表明了LDPE－g－GMA和偶联剂均能使复合材料的发泡性能有所提高，二者配合使用时效果最佳。

由表3还可以看出，随着泡沫材料表观密度的降低，其拉伸强度、弯曲强度均有所减小，但冲击强度反而增加。有LDPE－g－GMA的LDPE／M－木质素复合泡沫材料，冲击强度最高，达到6.80kJ／m2。这是由于增容剂 LDPE－g－GMA中存在反应活性较高的环氧基团，易与木质素表面的羟基发生开环反应，形成化学键［5］，偶联剂的亲无机基团与亲有机基团分别作用于木质素和LDPE，单独使用钛酸酯偶联剂或LDPE－g－GMA时，均能改善LDPE与木质素的相容性，当配合使用时，效果最佳。木质素分散性的提高，改善了LDPE／木质素复合泡沫材料的发泡性能，使吸收冲击能量的泡孔增多，冲击强度增加。

另外，随着 LDPE－g－GMA的加入，使得复合泡沫材料的比强度提高，有 LDPE－g－GMA 的LDPE／M－木质素复合泡沫材料比强度提高最多，从最低值10.42MPa／（g·cm－3）增加至11.07 MPa／（g·cm－3），证明了LDPE－g－GMA和偶联剂使LDPE与木质素间界面相互作用提高，泡沫材料的性能得到改善。

2.1.2 LDPE－g－GMA对复合材料泡孔形态影响

图1是LDPE／木质素复合材料SEM照片。

从图1可以看出，图1（a）的泡孔形状各异、大小不一，少量较大的泡孔镶嵌在众多较小泡孔中，且有合并现象。图1（b）的泡孔数量增加，分布均匀，孔径减小。图1（c）中出现少量较大泡孔镶嵌在众多较小泡孔中的现象。当加入LDPE－g－GMA后，图1（d）的泡孔尺寸略有增加，泡孔平均直径增大，分布均匀，且为闭孔泡沫结构，发泡性能提高。

2.2 LDPE－g－GMA对LDPE／M－木质素性能影响

2.2.1 LDPE－g－GMA用量对材料表观密度影响

图2是LDPE－g－GMA用量对LDPE／M－木质素复合泡沫材料表观密度的影响。

图2 LDPE－g－GMA对LDPE／M－木质素表观密度影响

由图2可以看出，随着LDPE－g－GMA用量的增加，LDPE／M－木质素复合泡沫材料的表观密度呈现先降低后升高的变化趋势。当LDPE－g－GMA用量为4份时，表观密度值最小，为0.533g／cm3。

2.2.2 LDPE－g－GMA用量对材料力学性能影响

表4是LDPE－g－GMA用量对 LDPE／M－木质素复合泡沫材料力学性能的影响。

表4 LDPE－g－GMA对LDPE／M－木质素性能影响

由表4可知，LDPE／M－木质素复合泡沫材料的拉伸强度、弯曲强度及冲击强度均先减小后增加，与材料表观密度的变化趋势相同。

图3是LDPE－g－GMA用量对LDPE／M－木质素复合泡沫材料比强度的影响。

图3 LDPE－g－GMA对LDPE／M－木质素比强度的影响

由图3可以看出，LDPE－g－GMA的加入使得LDPE／M－木质素复合泡沫材料的比强度有所提高，比强度值随着LDPE－g－GMA用量的增加呈现先上升后降低的趋势，过量的LDPE－g－GMA对LDPE与木质素相容性的改善及泡沫塑料性能的提高无益。

2.2.3 LDPE－g－GMA用量对材料形态影响

图4是LDPE／M－木质素复合泡沫材料的SEM照片。

由图4可以看出，不同用量LDPE－g－GMA的泡沫材料均呈现出少量较大的泡孔镶嵌在众多较小泡孔中，且为闭孔的泡沫结构。另外，试验表明，随着 LDPE－g－GMA 用量的增加，LDPE／M－木质素复合泡沫材料的泡孔平均直径先增加后减小，最大值达到70.06μm。

图4 LDPE／M－木质素复合泡沫材料SEM照片

3 结论

a）LDPE－g－GMA可以有效改善LDPE与木质素间的界面相互作用，使LDPE／木质素复合泡沫材料的发泡性能提高，表观密度下降，泡沫材料的泡孔均匀细密。

b）LDPE－g－GMA用量对LDPE／M－木质素复合泡沫材料的性能和泡孔形态有很大的影响，LDPE－g－GMA的用量存在最佳值，过少或过多均对泡沫材料性能的提高无益。当LDPE－g－GMA用量为4份时，比强度达到最大值10.96MPa／（g·cm－3），表观密度为0.533g／cm3，此时泡孔均匀，且为闭孔泡沫结构，综合性能较为优异。

［1］廖华勇，陶国良.高密度聚乙烯／低密度聚乙烯共混材料的模压发泡［J］.高分子材料科学与工程，2013，29（7）：131－134.

［2］李学锋，彭少贤，郦华兴.LDPE／EVA泡沫材料的研制［J］.现代塑料加工应用，2000，12（3）：9－12.

［3］岳小鹏，谌凡更.木质素／高分子复合材料的研究进展［J］.现代化工，2010，30（3）：22－26.

［4］熊成，戚嵘嵘.HDPE／木粉复合材料的性能研究［J］.工程塑料应用，2008，36（5）：22－25.

［5］李跃文，陈兴华，欧阳杰，等.GMA和共单体对聚乙烯木塑复合材料的直接反应增容［J］.高分子学报，2012，（6）：621－626.