MAPP对木塑复合材料性能的影响

2016-06-05边慧光胡纪全汪传生武玉建

弹性体 2016年4期

边慧光，胡纪全，汪传生，武玉建

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061)

木材是一种非常好的天然材料，木材的许多性能都比木塑复合材料(WPC)要优越，例如刚度、强度、防滑性等。不过在吸水性、抗微生物降解性和耐用性等方面，普通木材远不如WPC[1-2]。WPC是由树脂基体和木质纤维共混而成，决定了其同时具有树脂和木材的某些特性，主要特点有[3-7]：

(1)物理性能良好。WPC具有与硬木相当的抗压、抗弯曲等物理机械性能，并且耐用性明显优于普通木质材料；比木材的尺寸稳定性好，不会产生裂纹、弯曲等；(2)可加工性。WPC比塑料制品硬度高、刚性好，不仅具有热塑性塑料的可加工性，还具有木材的二次加工特性；木塑制品可涂漆，产品规格形状灵活性大；加入各种着色剂或覆膜，可制得色彩绚丽的各种制品；(3)对环境友好，能重复使用和回收利用，也可生物降解[8]；(4)具有防水性、耐腐蚀性，使用寿命长。与木材相比，WPC抗强酸碱程度强，具有很好的防潮性、耐腐蚀、不繁殖细菌，不易被虫蛀、不长真菌；(5)优良的可调整性。通过在WPC中加入特殊的助剂，可以对塑料进行改性、聚合、发泡等处理，这样就可以改变WPC的密度、力学性能等，还可以赋予WPC新的特性以满足一些特殊的要求，如：抗老化性能、防静电性能、阻燃性能等；(6)原料来源广泛。WPC生产所用的主要原料是聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，木粉主要是一些木制产品的下脚料，另外还需要加入少量的加工助剂等，物质能变废为宝；(7)形状尺寸可调。可以根据不同的应用需求，制成不同形状和尺寸的WPC，另外还具有抗紫外线、易着色等特点。

本研究以聚丙烯、木粉为主要原料，在传统配方的基础上添加胶粉并通过双螺杆挤出机和平板硫化机制备WPC，研究挤出过程中马来酸酐接枝聚合物(MAPP)的加入及用量对WPC性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

聚丙烯、木粉、MAPP、胶粉等均为市售工业级产品。

1.2 仪器设备

QLB-D400X400X2平板硫化机：上海第一橡胶机械厂制造；WDW-30电子万能试验机：长春科新实验仪器有限公司；30平双螺杆挤出机：青岛威尔塑料机械有限公司；JSM-7500F场发射扫描电镜：日本电子公司。

1.3 实验方案

将预处理后的木粉、胶粉、相容剂和聚合物在挤出机中进行熔融共混。在熔融挤出温度下，纤维素和共聚物之间的反应分两步进行：第一步是共聚物转换成更有反应性的酸酐形式；第二步是与纤维素发生酯化反应，反应过程如图1所示[9]。实验配方如表1所示。

图1 MAPP改性纤维素的反应过程

表1 实验配方

1.4 MAPP处理法

MAPP处理法是通过化学反应减少填料表面羟基数目，在增强相和基体相之间建立物理和化学键交联。通过在木粉表面形成一层憎水性薄膜从而提高其与聚合物的相容性和促进木纤维的均匀分散。相容剂的加入能明显改善材料的冲击强度，这是因为马来酸酐与木质纤维素上的羟基发生酯化反应，降低木粉的极性和亲水性，有效地改善了木粉与聚丙烯的界面相容性,从而使材料的冲击强度有了明显的提高[10-12]。MAPP作为一种良好的相容剂是因为一方面MAPP中马来酸酐端含有大量的的羧基或酐基能与增强材料中的羟基发生酯化反应，减少引起极性和吸湿性的羟基数目；另一方面分子链末端含有的很长的聚合物链段能与树脂基体作用相互缠结甚至形成共晶而彼此进入对方的晶格，改善材料的力学性能、防水性能等。

2 结果与讨论

2.1 MAPP用量对WPC性能的影响

MAPP用量对WPC力学性能的影响如图2～图4所示。

MAPP用量/份图2 MAPP用量对WPC拉伸强度的影响

MAPP用量/份图3 MAPP用量对WPC缺口冲击强度的影响

MAPP用量/份图4 MAPP用量对WPC弯曲强度的影响

由图2可以看出，在一定范围内MAPP的加入有效地改善了WPC的拉伸强度。当MAPP用量在4～6份之间时会出现一个极大值，用量继续增加时，WPC的拉伸强度反而下降。

当MAPP用量较少时，不能与木粉和回收胶粉中的极性基团发生充分反应，会剩余大量的羟基基团，木粉仍具有较强的极性，使得其与聚丙烯、胶粉和聚丙烯之间的界面结合力较差，因此拉伸强度与不添加MAPP的试样相比无明显提高。当MAPP用量过多时，就会有大量的MAPP未参与反应，剩余的MAPP发生分子间的相互反应，形成多分子层，减少了MAPP与木粉、胶粉和聚丙烯中的活性、非活性基团发生反应的几率，这样，三相之间的界面结合力就会变弱，当复合材料受到外力作用时，就容易在弱界面层处发生破坏，宏观表现为复合材料的拉伸强度下降。

由图3可以看出，WPC的缺口冲击强度随MAPP用量的增加而增大，当MAPP用量在5份左右时，出现最大值，冲击强度提高65.22%，之后WPC的缺口冲击强度随MAPP用量的增加呈下降趋势。MAPP是一种弹性体，可以有效地提高WPC的韧性，弹性体在复合材料中是应力集中点，当WPC受到外力冲击时，就会在聚丙烯基体中引发银纹和剪切带，当银纹发展为剪切带将吸收大量的能量，同时由于大量的银纹间相互作用，降低了银纹带的应力，这样就有效提高了WPC的缺口冲击强度。木塑复合材料的缺口冲击强度的变化规律与拉伸强度类似，原因是因为MAPP用量增加时，与木粉中的羟基基团和胶粉中的活性基团反应增多，与聚丙烯高聚物的缠结也增多，这样就改善了木粉和聚丙烯、胶粉和聚丙烯之间的界面相容性，结合力增加，相应地力学性能也会提高。当MAPP用量过多时，由于聚丙烯和木粉中刚性分子的阻碍作用，使得MAPP与木粉、胶粉和聚丙烯结合量反而减少了，界面也就变差了，复合材料的力学性能下降。

由图4可以看出，WPC弯曲强度的变化趋势与拉伸强度和缺口冲击强度的变化规律基本一致。只是发现当MAPP用量很少时，弯曲强度反而会出现稍微的下降，这是因为MAPP用量很少时，没起到增容的作用，木粉和聚丙烯没有很好地结合，又因为MAPP的弹性模量很低，所以加入MAPP反而使WPC的弯曲强度下降。

2.2 形貌分析

采用扫描电镜(SEM)分析不同用量MAPP的WPC的拉伸断面形貌，见图5。

(a) 无MAPP

(b) 5份MAPP

(d) 10份MAPP图5 不同用量MAPP的复合材料的SEM拉伸断面形貌图

由图5可以看出，当加入5份MAPP时，WPC的界面结合得最好，当MAPP的用量进一步增加时，复合材料的界面结合效果反而变差。

当不加入MAPP时，由于在物料配方中加入了硅烷偶联剂KH550,所以物相之间也能有很好的结合，只是还有很多分层现象。当加入5份左右MAPP时，其与硅烷偶联剂KH550相互作用促进了界面结合，从图5(b)可以看出，木粉和胶粉能够很好地被塑料基体包覆，形成一个连续的整体。从图5(c)可以看出，大部分能很好地结合，但是已经出现了断裂分层现象，说明WPC在受到外力作用时，首先在这些地方发生破坏。从图5(d)可以清晰地看到暴露在塑料基体表面的木粉或者胶粉颗粒，说明当MAPP用量过剩时，MAPP相互之间就会发生结合，使得在木塑复合材料界面之前起作用的MAPP的量反而减少了。