MAH接枝改性对木塑复合材料耐候性的影响

高 华， 黄海兵， 朱香菊， 汤红梅

(1.贵州民族大学材料科学与工程学院，贵州 贵阳 550025；2.黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；3.贵州广播电视大学，贵州 贵阳 550020)

木塑复合材料(简称WPC)作为一种绿色环保材料，兼具木质材料和聚合物材料的某些优点，被广泛应用于户外建筑设施，替代木材、金属和无机非金属等制品。对于在户外使用的WPC制品，阳光照射及风吹雨淋是不可避免的，WPC制品长期在水分和光照的作用下会出现表面褪色、翘曲、断裂破坏等现象，大大降低了美观性和使用寿命，因此其耐候性是值得关注的主要问题之一。关于木塑复合材料的耐候性已有一系列成熟的研究方法及大量的研究成果，其中短期试验是评估其耐候性的方法之一，加速老化处理(如水浸泡、煮沸、冷冻、紫外光照射等)因易于执行，比户外暴露测试更标准化，是目前采用较多的耐候性研究方法[1-2]。

Soccalingame等对比纯PP、10%和30%木粉增强PP复合材料(PP/WF10和PP/WF30)紫外老化结果，研究显示PP没有观察到特定的视觉退化，木质复合材料表面具有很强的视觉变化，并且这些木材颗粒表面出现许多裂纹，在PP/WF30暴露的表面上还出现发粉现象，而PP/WF10上不存在[3]。不同粒径木纤维增强的聚乙烯基复合材料老化后，大尺寸(10～20目)木纤维填充木塑复合材料的抗弯性能比其他的好，并且冲击强度提高幅度最大，但老化到一定程度后，10～20目木纤维填充木塑复合材料的弯曲模量快速下降，并与相应含20～40目和40～80目纤维的材料趋于一致[4]。Lee等比较了基于PE、PP、PS及其相应再生料(rHDPE-I和rHDPE-II、rPP、rPS)木塑复合材料的耐老化性，紫外加速老化2 000 h后检测结果显示，基于rHDPE-II的复合材料表现出最高的MOR和MOE保留率，而基于PS的WPC的最低。基于PS的WPC由于表面的光氧化而表现出最严重的降解，而基于PE的WPC的降解最轻微[5]。由此可见，木塑复合材料老化最直接的是引起表面和力学性能的变化，不仅与木质纤维材料的填充量、粒径大小、基体类型有关，也取决于塑料基体与木纤维界面的相容性、添加剂、使用环境及加工方法等因素[6-9]。

本研究分别以聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)以及其马来酸酐接枝产物作为基体，制备4种木纤维(WF)增强复合材料，研究两种树脂改性对复合材料的耐水性及紫外光老化对材料材色和弯曲性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

PP(T30S)、HDPE(2200J)、MAH(化学纯)、过氧化二异丙苯(DCP 分析纯)、丙酮(分析纯)、WF(30-50目)、聚乙烯蜡，均为市售。

1.2 复合材料制备

按10∶1的比例称取接枝单体MAH和引发剂DCP，为了使其更好地分散，用丙酮作为溶剂将二者溶解并喷洒到PP和HDPE粒料上，待溶剂挥发后，在双螺杆挤出机中通过熔融挤出进行树脂的接枝改性，造粒后制得MAH-g-PP和MAH-g-PE。PP、HDPE、MAH-g-PP和MAH-g-PE分别与WF按重量比3∶7混合，并添加2%的聚乙烯蜡，经造粒后挤出成型。

1.3 吸水测试

吸水试验按ASTM D570标准进行。首先，将所有试件在80 ℃温度下干燥24 h使其达到恒重，测定并记录试件的重量和厚度，然后将试件分别浸泡在(23±1)℃的蒸馏水中。每隔一定时间将试件从水中取出，用无绒布将表面的水除去，然后称重(精确至0.001 g)并测量厚度，之后再次将试件浸泡在蒸馏水中。每组5个试件，结果取平均值。吸水率Wi和吸水厚度膨胀率Ts分别按式(1)和式(2)计算：

(1)

(2)

式中：w0和t0分别为浸泡前的质量(g)和厚度(mm)；w和t分别为浸泡后的质量(g)和厚度(mm)。

1.4 老化测试与性能表征

(1)老化测试：按ASTM G154标准，用UV-A340型荧光紫外灯对WPC试件进行紫外光加速老化测试，总计老化2 000 h，每隔500 h测一次材色和弯曲性能。

(2)表面材色测试：采用手持式色度仪(Minolta CR-13)测定试件的L*、a*、b*，每个试件选测5个点，取平均值。依据 CIEL*a*b*1976表色系统，由老化前后L*、a*、b*分别计算对应的差值△L*、△a*、△b*，按式(3)计算色差△E：

△E=(△L*2+△a*2+△b*2)1/2

(3)

(3)弯曲性能测试：根据ASTM D 790标准规定的方法，采用万能力学试验机进行弯曲性能测试，参数设置为跨距64 mm、加载速度2 mm/min，每组平行测试5个试件。

2 试验结果与分析

2.1 木塑复合材料的耐水性

PP基和PE基WPC基体改性前后的吸水率Wi和吸水厚度膨胀率Ts随时间的变化关系如图1所示。对PP/WF和PE/WF两种复合材料，木纤维和塑料基体之间的结合差，界面间的间隙和缺陷为水分提供了进入的通道，其Wi和Ts在前14天随着时间增加迅速，之后吸水速率变化趋于平稳；而PP和PE接枝改性后，其木塑复合材料的Wi和Ts显著降低，24 h浸水试验结果显示，PP基木塑复合材料的Wi和Ts分别从基体未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑复合材料的Wi和Ts则分别从4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%，并且随时间延长降速放缓，这可能是基体改性后引入的极性酸酐基团可与木纤维表面的羟基反应，一方面增强其与木纤维之间的界面相容性，另一方面减少亲水性羟基的数量，从而降低了木塑复合材料的吸水速率。

2.2 紫外老化性能

2.2.1 紫外老化对复合材料表面颜色的影响

复合材料紫外老化前后的明度△L*和颜色变化△E*情况如图2所示。从图2中可以看出，4种复合材料明度和颜色的变化趋势基本一致，前500 h内增加幅度最大，之后增加幅度略慢，而且随着老化时间的延长变浅和褪色越来越明显。基体改性对其木塑复合材料老化前后的颜色变化影响不大，原因可能是复合材料的褪色主要取决于木纤维，因为木纤维中的主要成分木质素容易发生光致褪色，在紫外光照射下发生光降解反应，生成羧基、醌、过氧羟基等发色官能团和自由基，进而使复合材料发生褪色[10-13]。

图1 木塑复合材料的吸水率和厚度膨胀率

图2 紫外老化前后木塑复合材料明度和颜色的变化

2.2.2 紫外老化对复合材料弯曲性能的影响

紫外老化前后木塑复合材料的弯曲性能变化如图3所示。由图3可以看出，4种复合材料的弯曲性能都呈现下降的趋势，经2 000 h紫外老化后，其中弯曲强度分别下降了32.32%、36.38%、37.68%和32.60%，而弯曲模量分别下降了39.24%、40.02%、39.95%和39.15%。由图中曲线的变化趋势可以看出，在前500 h内弯曲强度和弯曲模量变化最大，之后二者都随老化时间的增加变化放缓。基体经过改性后，其复合材料的弯曲性能得到很大提高，但老化前期基体改性的复合材料要比未改性的下降明显，这可能是基体改性过程中存在副反应，同时残留未发生反应的小分子MAH和DCP，使得光降解的引发源增多[14-16]，而PP由于存在叔碳原子，其复合材料的耐老化性能较PE基木塑复合材料稍差。总体来说，基体经过改性的复合材料仍相对具有较高的力学保持率。

图3 紫外老化前后木塑复合材料的弯曲性能变化

3 小结

对于PP/WF和PE/WF两种复合材料，其Wi和Ts在前14天随着时间增加迅速，而PP和PE接枝改性后吸水速率减慢，浸泡24 h后PP基木塑复合材料的Wi和Ts分别从基体未改性的4.33%、5.82%下降至1.19%、2.28%；PE基木塑复合材料的Wi和Ts则分别从4.27%、4.33%下降至1.77%、3.08%。老化结果显示，基体改性对其木塑复合材料老化前后的明度和颜色变化影响不大，4种复合材料的弯曲性能在经过2 000 h老化后都有不同程度的降低，虽然老化前期基体改性的复合材料要比未改性的下降明显，但总体来说仍具有较高的力学保持率。