多异氰酸酯涂覆处理对聚乙烯木塑复合材胶接接头耐水性能的影响*

葛王亮，葛松枝，刘程琳，杨　恒，高　寒，邸明伟（东北林业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）



多异氰酸酯涂覆处理对聚乙烯木塑复合材胶接接头耐水性能的影响*

葛王亮，葛松枝，刘程琳，杨恒，高寒，邸明伟**
（东北林业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

摘要：采用多异氰酸酯对聚乙烯木塑复合材料进行表面涂覆处理以改善其胶接性能。利用接触角测试、表面形貌观测以及胶接强度和吸水量测试研究了涂覆表面处理对聚乙烯木塑复合材料胶接接头耐水性能的影响。结果表明，涂覆处理后复合材料的胶接强度和接头耐水性明显提高。水浸后聚乙烯木塑复合材料的表面性质发生了改变，随着水浸时间的延长，表面粗糙度增加，表面接触角下降。长时间水浸下胶接接头的吸水量增加，胶接强度下降。水环境下聚乙烯木塑复合材料中木质纤维的吸水膨胀是造成胶接性能下降的主要原因。

关键词：聚乙烯木塑复合材料；表面涂覆处理；多异氰酸酯；胶接；耐水性

前言

聚乙烯木塑复合材料（WPC）是木纤维与聚乙烯塑料复合而成的一种绿色环保材料，兼备木纤维和聚乙烯塑料两者的优点，作为木塑复合材料的典型代表被广泛应用于建筑业、汽车工业、包装运输业、家具业等领域[1]。聚乙烯木塑复合材料中低表面能的聚乙烯成分造成这类材料难以胶接，只有对其进行表面处理后，才可以实现以胶接进行的无缝连接[2～5]。众多的表面处理方法中，偶联剂表面涂覆处理方便简单，配以适宜的胶黏剂不但可以得到令人满意的胶接强度，而且还可以获得较好的胶接耐久性能，尤其是水环境下的耐久性能[6,7]。双组分丙烯酸酯胶黏剂可室温固化，且固化速度快，配以适宜的表面处理可以实现聚乙烯木塑复合材的快速胶接。本文采用水浸试验，通过表面接触角测试、表面形貌观测以及胶接强度和吸水量测试等分析手段，研究了多异氰酸酯表面涂覆处理对双组分丙烯酸酯胶黏剂粘接的聚乙烯木塑复合材胶接接头耐水性能的影响。

1　实验部分

1.1原材料及表面涂覆处理

聚乙烯木塑复合材料，采用挤出成型方法自制，其中木粉为杨木粉，粒径20～40目，含量为60%；聚乙烯为高密度聚乙烯，含量为30%；其余为偶联剂马来酸酐接枝聚乙烯。二甲基三苯基甲烷四异氰酸酯（牌号7900），常州市恒邦化工有限公司生产。双组分丙烯酸酯胶黏剂，市售，固化工艺为室温下固化24h。将木塑复合材料表面清洁后，使用180目砂纸对材料表面进行打磨，然后用10%（质量分数）多异氰酸酯的氯苯溶液涂覆到材料表面，待溶剂挥发后置于120℃下处理20min，备用。

1.2水浸试验及分析测试

分别将尺寸大小和粘接面积（20mm×25mm）均相同的粘接试样和表面涂覆处理后但未胶接的聚乙烯木塑复合材料试片（40mm×25mm×4mm）置于25℃恒温水浴中浸泡不同时间后取出备用。利用JC2000A接触角测量仪（上海中晨数字技术设备有限公司）测量聚乙烯木塑复合材料的表面接触角，在同一试片的五个不同位置上测试接触角，取平均值，计算标准差，测试液为蒸馏水，测试时间60s。利用QUANTA200型扫描电子显微镜（FEI）进行表面形貌的观察。将水浸不同时间后的胶接接头取出后立即用滤纸擦拭表面的水分，利用精度为万分之一的AV214C型分析天平（梅特勒-托利多仪器上海有限公司）称量水浸前后的质量变化，之后在30℃下干燥恒重后测试胶接强度。胶接强度的测试采用CMT-5504型万能力学试验机（深圳新三思公司），参照国家标准GB-T17517-1998进行。

2　结果与讨论

2.1胶接强度

图1为聚乙烯木塑复合材料表面处理前后胶接接头的耐水剪切强度。由图1可知，未处理的聚乙烯木塑复合材胶接强度很低，打磨处理后胶接强度略有增加，而经多异氰酸酯涂覆处理后胶接剪切强度大幅度提高，可达11.6MPa。从图1中还可以看出，水环境对胶接接头的耐久性有着较大影响。随着水浸时间的延长，不论表面处理与否，木塑复合材胶接接头的剪切强度都发生下降。未经处理的聚乙烯木塑复合材胶接接头长时间水浸后已失去使用价值；打磨处理后的木塑复合材料长时间水浸后，胶接强度也不理想；而经多异氰酸酯涂覆处理的胶接接头，尽管水浸初期胶接强度下降较大，但随着水浸时间的延长，强度下降的幅度变缓，300h水浸后，试样的胶接强度仍能保持在7.0MPa左右。然而，长时间的水浸下，胶黏剂的增塑以及聚乙烯木塑复合材料中木质纤维成分的吸水膨胀所造成的胶接界面残余应力，将会引起胶接强度的下降。由此可见，采用多异氰酸酯涂覆处理聚乙烯木塑复合材料的表面，不但可以提高木塑复合材的胶接性能，同时也有益于保持胶接接头的耐水强度。

图1　聚乙烯木塑复合材表面处理前后胶接接头的耐水剪切强度Fig.1　The shear strength of untreated,sanding treated and coating treated WPCs immersed in water for various lengths of time

2.2吸水量

图2为未处理、打磨处理以及涂覆处理的木塑复合材料胶接试样水浸不同时间后的吸水量变化。从图中可以看出，无论复合材料处理与否，其胶接试样的吸水量均随着水浸时间的延长而增加，其中打磨处理的木塑复合材料胶接试样吸水最多，而多异氰酸酯涂覆处理的胶接试样吸水最少。一般情况下，低表面能的聚乙烯成分会聚集到木塑复合材料表面，排除表面缺陷的影响，聚乙烯木塑复合材应具有较好的耐水性。但文中吸水量测试采用的木塑复合材料试样的两个侧面经切割而成，切割后的侧表面不再有聚乙烯成分覆盖，故而其中的木质纤维成分会吸收水分。对于胶接试样来说，除了材料侧表面吸水外，胶黏剂胶接的接头处也会由于水的渗入而缓慢地吸收水分。图2的结果表明，尽管打磨处理除掉了木塑复合材料表面的聚乙烯成分而提高了胶接强度，但材料中难粘的聚乙烯成分并没有改变，其胶接界面的黏附性能相对较差，故而水分容易渗入并被打磨后的材料吸收，造成吸水量较大；未处理的试样尽管胶接强度很差，但由于粘接表面仍被聚乙烯层覆盖，因而吸水量相对打磨处理的试样较少。多异氰酸酯涂覆处理的胶接试样相同时间下吸水量最低，这是由于在试样大小和粘接面积均相同的情况下，影响材料吸水量多少的因素主要为胶接界面，尽管涂覆处理去掉了表面耐水的聚乙烯层，但由于多异氰酸酯一方面与试样表面的羟基反应，提高了材料的疏水性，另一方面通过NCO-基团的“架桥”提高了胶黏剂与复合材料之间胶接界面的结合程度，故而吸水量反而最少，这也是多异氰酸酯涂覆处理后胶接试样耐水性提高的主要原因。

图2　聚乙烯木塑复合材表面处理前后胶接试样的吸水量Fig.2　The water absorption of bonded WPCs immersed in water for various lengths of time before and after treatments

2.3表面接触角

表1　未处理、打磨处理及涂覆处理的聚乙烯木塑复合材料不同水浸时间后的表面接触角及标准差Table 1　The contact angles and their standard deviations of untreated,sanding treated and coating treated WPCs immersed in water for various lengths of time

为探究水浸环境下水的渗入对胶接接头的影响，采用极端的试验方法，将表面处理但未胶接的木塑复合材料试片分别浸泡不同时间后，分析表面性质的变化，进而研究水对接头胶接耐久性的影响。表1列出了未处理、打磨处理以及多异氰酸酯涂覆处理的聚乙烯木塑复合材料不同水浸时间后的表面接触角及标准差。从表1可以看出，未处理试样的表面接触角较大，表明聚乙烯木塑复合材料表面浸润性较差；打磨处理后，由于表面粗糙度的急剧增加，造成接触角反而增加；异氰酸酯表面涂覆处理后，表面接触角较未处理及打磨处理试样的接触角大，这是由于多异氰酸酯与打磨后材料表面露出的羟基反应，材料表面的羟基数目减少所致。随着水浸时间的延长，涂覆处理试样的表面接触角逐渐降低，这是由于多异氰酸酯和材料表面羟基反应生成的氨基甲酸酯在水中发生了水解，使材料表面羟基增多的缘故。随着水浸时间的继续延长，材料吸水膨胀，导致表面出现裂纹，此时表面接触角的数据已不能代表真实表面的润湿性。

2.4扫描电镜观测

图3列出了未处理、打磨处理及多异氰酸酯涂覆处理的木塑复合材料不同水浸时间后的表面形貌。由图3可以看出，未处理的复合材料表面较为光滑，有明显的挤出成型痕迹；与未处理的复合材料相比，打磨处理后的复合材料表面粗糙度明显增加；与打磨处理的复合材料相比，多异氰酸酯涂覆处理后的复合材料表面粗糙度略有下降。此外，由图3还可以看出，随着水浸时间的延长，涂覆处理的聚乙烯木塑复合材表面粗糙度逐渐增大，这是由于长时间水浸后材料表面木纤维吸水膨胀，造成材料表面出现微裂纹，从而导致材料表面粗糙度增大。水环境下含有木纤维的木塑复合材料表面粗糙度的变化将直接影响其胶接接头的耐水性。

图3　未处理、打磨处理及涂覆处理的聚乙烯木塑复合材料不同水浸时间后的表面扫描电镜照片（500倍）Fig.3　The scanning electron micrographs（500×）of the surface of untreated,sanding treated and coating treated WPCs immersed in water for various lengths of time

2.5分析讨论

聚乙烯木塑复合材料中的聚乙烯成分使得复合材料表面能低，未经处理情况下难以胶接。打磨

处理后，尽管除去了表面的聚乙烯，但材料中的聚乙烯成分并没有改变，因此胶接性能的改善程度不大，包括耐水性能；而表面涂覆处理后，除了材料表面粗糙度的增加有利于胶接强度的改善之外，多异氰酸酯中的异氰酸酯基团可同时与复合材料中木纤维上的羟基以及丙烯酸酯胶黏剂中的羧基反应，从而在木塑复合材料表面与胶黏剂之间形成“架桥”，大大提高了胶接接头的粘接性能；并且由于木纤维上羟基的减少，其胶接耐水性能也得到较大程度地改善。粘接是发生在表面的现象，材料的胶接强度及其耐久性，不仅和所用胶黏剂的性质直接相关，也和被胶接材料的表面结构、表面形貌等表面性质有着十分密切的关系。胶接接头水环境下的耐久性除与所用胶黏剂有关外，更大程度上取决于胶接表面，胶接表面在水环境下的变化是直接影响胶接接头耐久性的主要原因[8]。结合本文的极端试验结果可以看出，多异氰酸酯处理的木塑复合材，一方面通过表面粗糙度增加以及异氰酸酯基团的“架桥”作用，提高了胶黏剂与木塑复合材表面的黏附程度，另一方面，胶接界面中羟基的减少又能提高胶接界面的疏水性，因而多异氰酸酯处理后不但能大幅度提高胶接强度，还能提高胶接接头的耐水性能。

3　结论

（1）未处理的聚乙烯木塑复合材料难以胶接。采用多异氰酸酯对打磨后的聚乙烯木塑复合材料涂覆处理后，可大幅提高复合材料的粘接强度，同时耐水性能也有所改善。

（2）长时间水浸环境下，聚乙烯木塑复合材料的表面性质会发生改变，表面性质的改变将直接影响胶接接头的耐水性能。

（3）水环境下聚乙烯木塑复合材料中木质纤维成分的吸水膨胀，是造成胶接强度下降的主要原因。

参考文献：

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［3］ 陈志博,滕晓磊,张彦华,等.聚乙烯/木粉复合材料的液相化学氧化表面处理［J］.高分子材料科学与工程,2011,27（11）: 49～52.

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［7］ 王辉,邸明伟.硅烷偶联剂处理木塑复合材胶接接头的耐水性［J］.粘接,2012,33（5）:42～44.

［8］ 陶岩,王辉,邸明伟.水环境下等离子体处理聚乙烯木塑复合材料表面性质的演变［J］.材料工程,2012（10）:94～98.

Effect of Polyisocyanate Coating Surface Treatment on Water-resistance of Bonding Joint of Polyethylene Wood Plastic Composites

GE Wang-liang,GE Song-zhi,LIU Cheng-lin,YANG Heng,GAO Han and DI Ming-wei
（College of Material Science and Engineering,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）

Abstract:The surface of polyethylene wood plastic composites（WPCs）was coating treated by polyisocyanate to improve its adhesion properties. The analysis methods such as contact angle measurement,water absorption test,surface morphology observation and bonding strength test were used to study the effect of coating surface treatment on the water resistance of bonding joint of WPCs.The results showed that the bonding strength and water-resistance of the bonding joint of the composites were improved after polyisocyanate coating treatment.After the water immersion,the surface properties of the WPCs were changed.With the soaking time extended,the roughness of the composites surface increased and the contact angle decreased.The water absorption of the bonding joint increased and the bonding strength decreased obviously after a long period of water immersion. The swelling of wood fiber within the WPCs caused by absorbing water could result in the residual stress within the adhesion interface,which reduced the bonding strength of the joint.

Key words:Polyethylene wood plastic composites;surface coating treatment;polyisocyanate;bonding;water-resistance

中图分类号：TQ433.432

文献标识码：A

文章编号：1001-0017（2016）03-0165-04

收稿日期：2016-02-17

*基金项目：中央高校基本科研业务费专项（编号：2572015EB01）、黑龙江省哈尔滨市科技创新人才研究专项（编号：2011RFXXG016）和东北林业大学大学生创新创业训练计划项目（编号：201510225145）

作者简介：葛王亮（1995-），男，山西长治人，本科，主要研究方向为生物质复合材料及胶黏剂。

**通讯联系人：邸明伟（1972-），男，教授/博导，主要研究方向为生物质复合材料及胶黏剂，dimingwei@126.com。