桐壳纤维的表面偶联活化改性研究

刘敏毅

（福建工程学院 生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118）

桐壳纤维的表面偶联活化改性研究

刘敏毅

（福建工程学院 生态环境与城市建设学院，福建 福州 350118）

通过白油——桐壳纤维填充体系的小试实验，模拟了桐壳纤维在不同偶联剂表面改性处理后，与聚烯烃类树脂的共混填充过程。通过实验，为桐壳纤维作为聚烯烃类树脂填料的研究提供了基础数据，降低改性试验成本，为工业生产提供一定的理论依据。

桐壳纤维； 表面偶联

桐壳纤维可作为塑料、涂料等高分子材料的填充剂或添加剂，但由于具有纤维的固有结构特征，表面仍以极性的羟基为主，与塑料、涂料制品的非极性基团之间相容性差，为制备高性能的桐壳纤维基木塑复合材料，必须对其进行表面改性。本文通过白油模拟PE熔体，测试桐壳纤维在白油中的粘度、沉降高度和沉降体积等，考察了填充量，偶联剂用量，温度对白油——桐壳纤维体系的影响，并模拟预测不同偶联剂改性后的桐壳纤维在白油中的最大模拟填充量等。

1 实验

1.1 试剂与仪器

桐壳纤维（TK）：由宁德桐油公司提供，委托建阳木粉厂研磨加工，于110 ℃下烘干3h；十八醇（SA）：工业级；硬脂酸（OA）：工业级，天津市瑞金特化学品有限公司；稀土偶联剂（WOT）：工业级，广东炜林纳功能材料有限公司；铝酸酯（DL411）：工业级，福建师范大学高分子实验厂；硅烷偶联剂（A-143）：工业级，曲阜万达化工有限公司。

旋转粘度计：NDJ-7型，上海天平厂；精密增力电动搅拌器：JJ-1，深圳市国华电子有限公司；电热鼓风干燥箱：101型，北京市永光明医疗仪器厂；高速捏合机：5L，南京日升塑机厂；傅立叶红外光谱仪：AVATAR360型。

1.2 实验

1.2.1 桐壳纤维的偶联改性

称取已烘干的桐壳纤维200 g，分别加入相当于桐壳纤维质量的0.5 %、1.0 %、1.5 %、2.0 %和3.0 %的偶联剂，于高速捏合机中以900rad/min的速度进行高搅混合。当温度上升到110 ℃时，继续高搅15 min，得到改性桐壳纤维。

1.2.2 改性桐壳纤维填充量模拟测定

于烧杯中称取三份白油各50 g，分别加入10 g、20 g、30 g、40 g、50 g，改性桐壳纤维，搅拌均匀，加热至140 ℃，停止加热，继续搅拌15 min，降至室温，用旋转型粘度计测其粘度。

1.3 表征

将混匀的B-TK体系加热至140 ℃，停止加热，继续搅拌15 min，降至室温，用旋转粘度计测定体系粘度。在25 mL磨口量筒中，加入10 g改性桐壳纤维，加入白油至25 mL刻度处，上下震荡30 min，静置3h，记录沉降体积。将2.5 g改性桐壳纤维分散于25 mL白油中，然后倒入磨口量筒，测量其相对沉降高度与时间的关系，直至平衡。

2 结果与讨论

2. 偶联剂用量对体系粘度的影响

图1-1 桐壳纤维-白油体系粘度与偶联剂用量关系

图1-1为不同偶联剂改性的桐壳的体系粘度变化。从图1-1可以看出未改性的桐壳纤维体系粘度是665 mPa·s，而经偶联改性后，各体系粘度均明显下降。这是因为未改性的桐壳纤维中含有大量的极性羟基，在有机介质中容易聚集成团，与白油相界面张力较大，流体运动内摩擦力大。经偶联剂改性后，桐壳纤维表面基团极性减弱，与非极性的白油分散介质之间的界面能减小、亲和性得到改善，流体内摩擦力减小，流动性明显增大，所以体系粘度降低［1］；但偶联剂的用量超过某一限值时，过多的偶联剂分子覆盖在桐壳纤维表面，形成多分子层，易造成桐壳纤维与白油之间界面结构的不均匀性，故体系粘度反而有所增大［2］。

综合偶联剂的成本和效益，A-143硅烷偶联剂和WOT在用量为0.5 %时，体系粘度就降到了最低，达到较高的改性效果。几种偶联剂的改性效果顺序分别为：A-143改性效果最佳，WOT和OA相当，其次是DL411和SA。下表1-1为不同偶联剂改性桐壳纤维在白油体系中的最佳用量。

表1-1 不同偶联剂改性桐壳纤维在白油体系中的最佳用量

2.2 偶联剂用量对沉降体积的影响

图1-2 改变偶联剂用量对桐壳纤维沉降体积的影响

图1-2为改变偶联剂用量对桐壳纤维沉降体积的影响。偶联剂改性桐壳纤维在白油中的沉降体积随着偶联剂用量的增大而逐渐减小，DL411、WOT和A-143处理后的桐壳纤维沉降体积下降幅较大，对SA和OA而言，沉降体积变化情况相当。

沉降体积反映了粒子在液体中的分散性［3］。未改性的桐壳纤维表面氢键使其分子之间的作用力大，桐壳纤维易于聚积，粒子之间因桥联而留有较多孔隙，沉降时易形成疏松的沉积物，完全沉降时其沉降体积较大；而对桐壳纤维进行改性后，表面基团极性减弱，粒子之间作用力减弱，在液体中分散性好，则液体对粒子有较好的润湿性，粒子间不易聚集和粘连，沉降时粒子排列堆积紧密，完全沉降时其沉降体积较小。故随着偶联剂用量的增大，桐壳纤维粒子的包覆越全面，相互之间作用力越小，在白油中分散效果越好，故表现为沉降体积随偶联剂用量增大而减小。

2.3 改性桐壳纤维填充量模拟测定

图1-3 体系粘度与桐壳纤维填充量的关系

图1-3为改变改性桐壳纤维填充量对体系粘度的影响。由图1-3可以看出，随着桐壳纤维的增加，体系粘度明显上升，但未改性的桐壳纤维，其体系粘度比改性桐壳纤维体系粘度上升要快：对于未改性桐壳纤维体系，当填充量达到白油质量的30 %左右时，体系粘度开始明显上升；而经过偶联剂改性的桐壳纤维则在白油质量的44 %才开始明显上升，这与偶联剂用量对体系粘度影响的实验结果相吻合，说明改性后桐壳纤维与白油的相容性增加，可以增大其在树脂中的填充量［3］。通过改性桐壳纤维填充量模拟研究，得出经过偶联改性的桐壳纤维填充量约为50 %

3 结论

对桐壳纤维进行偶联活化改性的研究发现：

通过白油——桐壳纤维填充体系的小试实验，表明桐壳纤维与聚烯烃类树脂的相容性均有一定程度的提高；且A-143硅烷偶联剂和稀土偶联剂改性的效果较好；通过对白油——桐壳纤维填充体系沉降体积的研究，表明经偶联剂改性的桐壳纤维在白油中比未改性桐壳纤维更易沉降；铝酸酯偶联剂、硬脂酸和A-143硅烷偶联剂改性的桐壳纤维能在较短的放置时间内有较大的沉降高度。通过改性桐壳纤维填充量模拟研究，得出经过偶联改性的桐壳纤维填充量约为50 %。

［1］张文治，章文贡，汤永艳.硅灰石粉的偶联活化改性研究［J］.塑料，2005：34（1）：69-72.

［2］滕国敏，张勇，万超瑛，等.木塑复合材料的界面改性方法［J］.化工新型材料.2005.33（5）：7-9.

［3］陆银平，刘钦甫，牛胜元.硅烷偶联剂改性纳米高岭土的研究［J］.非金属， 2008，31（5）：9-11.

JB13147福建省教育厅中青年教师教育科研项目B类

TQ320.1

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1003-5168（2015）11-051-02