自然气候老化对木塑地板性能的影响

自然气候老化对木塑地板性能的影响

沈洋1龚迎春1王云2黄伟2吴章康1

(1.西南林业大学材料工程学院，云南 昆明 650224；

2.西双版纳华坤生物科技有限责任公司，云南 西双版纳 666100)

摘要：以高密度聚乙烯(HDPE)和木粉(橡胶木粉或红木粉)为主要原料，添加紫外线吸收剂(UV-531、UV-1)，挤出成型木塑地板，研究昆明与西双版纳两地180 d自然气候老化对其性能的影响。结果表明:自然气候老化使木塑地板抗弯性能降低，高温暴晒是主要原因之一；自然气候老化使木塑地板表面颜色发生变化，添加和木粉原料相适应的紫外线吸收剂可以有效提高木塑地板的表面色牢度；降雨量增大会提高木塑地板的吸水率，添加紫外线吸收剂有助于提升木塑地板的耐水性能。

关键词：木塑地板；抗弯性能；色牢度；吸水率

中图分类号：S781.3

文献标志码：A

文章编号：2095-1914(2015)02-0100-05

Abstract:The high density polyethylene (HDPE) and the wood powder (rubber wood flour or annatto powder) are used as the main raw material for the study and added with 0.3% of UV absorbers (UV-531 or UV-1), extrusion molding them for PE based wood-plastic floor. 180 days observation was made for natural weathering effects on wood-plastic floor′s performance in Kunming and Xishuangbanna. The results showed that: The 180-day natural weathering reduce the wood-plastic floor′s bending performance， high temperature and exposure to the sun is one of the main reasons;The surface color changes with the Natural weathering exposure, adding proper UV absorber fitting with wood powder raw material can effectively improve the fastness of surface color in wood-plastic floor; The heavy rainfall will increase the water absorption rate of wood-plastic flooring， adding UV absorbers can enhance water resistance of wood-plastic flooring.

Keywords:wood-plastic flooring; bending performance; color fastness; water absorption rate

收稿日期：2014-11-02

基金项目：云南省教育厅科学研究基金一般项目(2013Y113)资助；功能型木塑复合材料产业化关键技术研究项目(31261801)资助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.018

Natural Weathering Effects on the Performance of

Wood-Plastic Flooring

SHEN Yang1，GONG Ying-chun1，WANG Yun2，HUANG Wei2，WU Zhang-kang1

(1.College of Material Engineering, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224,China；

2.Huakun Biotechnology CO.,Ltd., Xishuangbanna Yunnan 666100, China)

木塑地板是将生物质纤维、塑料以及多种添加剂混合挤出、模压或注射成型的一种新型复合材料[1]。近年来，木塑地板因其显著的经济和环保优势在我国取得了重大发展契机，木塑地板产业日新月异[2]。然而，由于基本配方、加工方法和使用环境的影响，木塑复合材料(wood-plastic composite，WPC)会在一定时间的持续老化作用下，发生表面褪色和力学性能退化的现象[3-4]。Tascioglu C等[5]研究了自然气候条件下木塑复合材料耐久性能的变化，国内也有相关研究[6-10]；Fabiyi J S等[11]发现木粉种类对木塑老化有一定影响；Kazemi Najafi S和Jordens C等[12-13]用不同塑料制备木塑复合材料，发现塑料充分熔融后封装木质基体的程度直接影响木塑的吸水率；陈娟等[14]将添加不同光稳定剂的木塑材料进行紫外光加速氧老化，发现光稳定剂对木塑材色有一定保护作用。在不同的自然气候条件下，研究自然气候老化对多种配方制备的木塑地板性能的影响，具有重要的理论价值和生产意义。本研究分析了昆明和西双版纳自然气候条件下6种不同配方制备的木塑地板抗老化性能，并比较6种木塑地板自然老化性能的变化规律。

1材料与方法

1.1试验材料

生物质原料：橡胶(Heveabrasiliensis)木粉，红木粉(由多种红米粉混合，经西双版纳工厂加工所得，含水率为2%～3%，筛选目数为60目)。塑料：高密度聚乙烯(HDPE，密度为0.92 g/cm2)。紫外线吸收剂：UV-531，UV-1(均为德国进口，湖北永泰塑胶公司销售)。其他添加剂：CaCO3，PE蜡，硬脂酸锌，亚乙基双硬脂酰胺(EBS)，马来酸酐接枝PP，抗氧剂1010(均为市售)。

1.2仪器设备

SRL-Z500/1OOOA高速混炼机(武汉泽琦塑料机械制品有限公司)；SHJ75/40-QL182-3木塑专用双平行双螺杆混炼挤出造粒机(武汉泽琦塑料机械制品有限公司)；MSSZ65/132-YF240A锥形双螺杆木塑挤出机(武汉泽琦塑料机械制品有限公司)；北京康光SC-80C全自动色差计(北京康光仪器有限公司)；AG-I万能力学试验机(日本岛津有限公司)。

1.3试样制备

将木粉原料、塑料、紫外线吸收剂和其他添加剂按一定比例加入高速混炼机混炼，经造粒机造粒后，双螺杆挤出成型。将制备完成的木塑板材(木粉质量分数为60%，木塑比为2.57∶1.00，紫外线吸收剂占物料总量的0.3%)按照GB/T 24508—2009《木塑地板》老化性能检测项目试件尺寸标准裁切，截面尺寸(长×宽×高)为：470mm×150mm×30mm(24h吸水率测试木塑试件尺寸为：50mm×50mm×30mm)。根据木粉种类和紫外线吸收剂的种类制备不同试样，配方见表1。

表1　户外老化木塑地板组别

1.4研究方法

1.5主要气候条件

根据每天天气预报整理昆明和西双版纳2地气候指标变化数值，得出户外老化期间的大致天气情况，见表2。

表2　户外老化期间的主要天气情况

2结果与分析

2.1弯曲破坏载荷变化

按老化时间分析，放置在昆明和西双版纳自然老化的6种木塑地板，定期取材检测其弯曲破坏载荷，结果见表3。

表3　不同放置时间木塑地板户外老化后弯曲破坏载荷

由表3可知，未经自然老化直接检验的木塑地板均拥有较高的初始弯曲破坏载荷，随着户外老化时间的增加，弯曲破坏载荷逐渐降低。这是因为自然气候条件下，木塑地板不断受到阳光、雨水、温度等气候条件影响，木粉和塑料基体缓慢降解，板材脆性增大，抗弯性能降低[6]。

按木塑原料分析：以橡胶木粉为原料的木塑地板在抗弯性能上优于红木粉经过180d户外老化，昆明和西双版纳两地未添加紫外吸收剂的木塑地板弯曲破坏载荷相比初始样板分别降低了17.0%和18.8%，添加UV-531的板材分别降低了16.7%和17.0%，添加UV-1的板材分别降低了15.9%和14.9%，说明2种紫外线吸收剂都能够延缓橡胶木粉-HDPE木塑地板在自然气候条件下抗弯性能退化速度。将红木粉-HDPE木塑地板试样D、E、F比较发现，不添加紫外线吸收剂木塑地板总体上弯曲破坏载荷最高。经过180 d户外老化，昆明和西版纳两地未添加紫外吸收剂的木塑地板弯曲破坏载荷分别降低了12.7%和10.9%，添加UV-531的板材分别降低了8.3%和15.0%，添加UV-1的板材分别降低了19.8%和19.2%，说明2种紫外线吸收剂延缓了红木粉-HDPE木塑地板在自然气候条件下抗弯性能的退化速度，而UV-1在该作用上的效果较UV-531更明显。

按天气情况分析：依据昆明和西双版纳两地户外老化期间的主要天气情况，发现西双版纳1— 6月的气温都明显高于昆明的同期气温。较高的气温使西双版纳放置点的试样在整个户外老化期里，弯曲破坏载荷下降程度更大。由于木塑地板是热的不良导体，随着温度的高低变化，表层与内部受热不均，不断膨胀、收缩、变形[15]；同时，长期高温暴晒作用还会使PE塑料氧化降解，大分子链断裂为小分子，导致木塑地板的力学性能降低，寿命缩短[7]。

2.2表面颜色变化

昆明和西双版纳不同放置时间6种木塑地板老化后表面颜色变化见图1。

由图1可以看出，总体上昆明和西双版纳放置点的木塑地板表面色差值在180d的自然老化期内均表现出上升趋势。按木塑原料分析：昆明放置点的橡胶木粉-HDPE木塑地板试样A、B、C，色差值ΔE*增长幅度比较接近，添加了紫外线吸收剂的木塑地板在整个户外老化期内的材料表面的色差值均低于不添加紫外线吸收剂的木塑地板；红木粉-HDPE木塑地板试样D、E、F的色差值ΔE*也表现出上述规律，添加了UV-1的木塑地板表现出较好的表面色牢度，色差值保持平稳。西双版纳放置点的橡胶木粉-HDPE木塑地板试样A、B、C色差值ΔE*增长幅度各异，户外老化期内添加UV-531的木塑地板色差值ΔE*在各试样中最小，表现出最好的色牢度；红木粉-HDPE木塑地板试样D、E、F中，添加UV-1的木塑地板色差值增长速率较稳定，在最终色差检测中表现出最低的色差值。

由图1还可以发现，2种紫外线吸收剂都可以增强木塑地板的色牢度，但UV-531更适用于橡胶木粉-HDPE木塑地板，而UV-1更适用于红木粉-HDPE木塑地板，说明木纤维种类与紫外线吸收剂种类的匹配性对木塑地板的表面色牢度有一定影响。

按天气情况分析：综合昆明和西双版纳两地的天气情况可以发现，西双版纳1— 6月的气温均高于昆明的同期气温，特别是3— 6月，平均最高气温都在32℃以上。高温会使木塑地板中的PE塑料发生氧化分解，导致材料表面褪色明显，高温紫外光暴晒对不同配方木塑地板表面颜色变化影响巨大。

2.324h吸水率变化

木塑地板吸水主因是木粉纤维的亲水性以及材料中的孔隙[16]。不同放置时间6种木塑地板老化后24h吸水率见图2。

由图2可以看出，木塑地板24h吸水率随着户外老化时间的增加而不断提升，这是因为自然气候条件下的阳光和降雨都会使得木质基体与塑料基体之间的界面缓慢降解，材料内部孔隙越来越多，木粉纤维吸水的概率增大[6]。

按木塑原料分析：未经户外老化的橡胶木粉-HDPE木塑地板试样和红木粉-HDPE木塑地板试样初始测试的24h吸水率相差不大。经过180d户外老化后，红木粉-HDPE木塑地板24h吸水率为3.21%～4.13%，橡胶木粉-HDPE木塑地板仅为2.61%～3.09%，说明经过户外老化的红木粉-HDPE木塑地板吸水率更高。比较橡胶木粉-HDPE木塑地板试样A、B、C发现，添加UV-531的木塑地板在整个老化期内一直拥有较低24h吸水率；而比较红木粉-HDPE木塑地板试样D、E、F而，添加UV-531或UV-1的木塑地板均可以保持稳定的24h吸水率上升速率，并在180d户外老化后保持较低的24h吸水率。根据测试结果可以发现，紫外线吸收剂对木塑地板耐水性能的提高有一定辅助作用，这主要是由于紫外线吸收剂减少了太阳光中的紫外线对木塑材料表面的破坏[14]，降低了材料表面孔隙生成的几率，使木塑地板24h吸水率维持在较低数值。

按天气情况分析，结合图2发现，所有木塑地板在后90d的户外老化期内，24h吸水率上升的速度均有所增加，这与云南地区5—6月份反常的大规模降雨有关(表2)。大规模的降雨会洗涮木塑地板表面，增大细小孔隙吸水的可能，而长时间的水浸使得水分慢慢降解了木质基体与塑料基体之间的界面，破坏了塑料对木粉的封装，进一步促进木粉对水分的吸收，提高了木塑地板的吸水率[16]。

3结论

1) 自然气候老化180d后，木塑地板弯曲破坏载荷降低，高温暴晒是主要原因之一。添加UV-531或UV-1能延缓橡胶木粉-HDPE木塑地板在自然气候条件下抗弯性能的退化速度。

2) 高温紫外光暴晒对木塑地板表面颜色变化影响巨大。不同木粉制备的木塑地板中添加与其相适应的紫外线吸收剂，可以获得更好的表面色牢度。添加UV-531可以有效增强橡胶木粉-HDPE木塑地板的表面色牢度，而添加UV-1可以有效增强红木粉-HDPE木塑地板的表面色牢度。

3) 降雨量增大会增加木塑地板的吸水率，而添加紫外线吸收剂对木塑地板耐水性能的提高有一定辅助作用。

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(责任编辑曹龙)

第1作者：刘刚连(1984—)，男，助理研究员。研究方向：聚合物复合材料研究。Email:249286110@qq.com。

通信作者：吴章康(1967—)，男，博士,教授。研究方向：木质材料性能，木质复合材料。Email:xr40978135@126.com。