木塑复合材料耐光老化性对篮球架的影响研究

崔吉洋

(陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

木塑复合材料被广泛用于体育器材、室内装修和建筑领域，相较于其他材料，有着成本低、绿色环保、防虫防潮等优势。然而，制作为篮球架在室外使用时，无法避免光老化问题，从而影响木塑复合材料篮球架的使用范围。可采用添加抗氧化剂、改变木粉组合、优化成型方法、表面涂层等方法对该复合材料的耐光老化性进行改善。以木粉/聚丙烯复合材料为例，对其耐光老化性进行探究。耐光老化性能的提升，也会扩大复合材料耐腐蚀性强、使用寿命长、力学性能良好的优势，可促进篮球架的使用安全性与舒适性。

1 木塑复合材料的光老化机理

木塑复合材料是木纤维或植物纤维与塑料材质复合加工而成的有机高分子材料，属于新型绿色环保材料。塑料和木质纤维都是高分子材料，高分子材料在受到外界环境中的水、氧、热以及化学介质等因素的作用下，其自身物理或化学结构会发生变化，从而表现出光老化现象，例如，材料颜色改变、材质变脆、韧性和强度降低等。木塑复合材料在体育领域应用广泛，可应用于篮球架、篮球场地板等。当木塑复合材料在室外长期使用后，会发生一定程度的光老化，无法满足篮球架或篮球地板对材料的较高使用要求。

在木塑复合材料的光老化进程中，各组分之间相互影响，相互作用，其光老化进程如图1所示。

图1 木塑复合高分子材料光老化进程

当木塑复合材料受到紫外线的照射时，木质素会吸收大部分的紫外线，造成光降解，产生发色基团，改变了木粉的颜色。同时，发色基团和塑料加工时加入的物质，对塑料组分的光降解有共同的催化作用，导致塑料的表面开裂、系带分子断裂，降低该材料篮球架的力学性能。

木塑复合材料的光变色现象，分2个阶段进行，第1阶段是木质素的光降解，产生大量发色基团，导致复合材料褪色；第2阶段是发色基团减少，产生有漂白效果的对苯二酸物质，造成材料颜色改变。另外，环境中水的存在，也会加速木塑复合材料篮球架的褪色程度。

除了氧气和紫外线因素，复合材料吸潮后，力学性能也会显著降低。水分进入复合材料，木质纤维的细胞壁吸水发生膨胀，界面会有微裂纹出现，影响聚合物与木纤维的界面结合强度；水分也会加快光降解的进程。光线在水的折射或反射作用下，较容易抵达复合材料内部，导致材料内部出现光老化，严重降低篮球架力学性能。

2 木塑复合材料耐光老化性能分析

2.1 木粉组分对复合材料耐光老化性能的影响

木质素纤维素聚丙烯复合材料的制备

以聚丙烯粉料、毛白杨木粉、木质素、纤维素为主要原材料，采用电热鼓风干燥箱在103 ℃条件下对原材料进行2 h干燥。设置6组不同配比的材料，采用高速混合机对材料进行混合搅拌，以2 900 r/min速度搅拌4 min。然后采用双螺杆挤出机进行造粒，并粉碎成颗粒状，物料长度在2～5 mm。称取180 g颗粒状物料，放入正方形铁块的热压模具内，上层铺盖一层聚四氟乙烯膜，便于脱模，使用热压机对其进行热压，以4 MPa的压力和180 ℃的温度热压6 min。冷却后制成木塑复合材料，尺寸为270 mm×270 mm×3 mm，密度为1.05 g/cm。6组不同成分材料的配方如表1所示。

表1 木质素/纤维素/聚丙烯复合材料配方

实验方法

因材料自然老化时间较长，采用人工的方式进行木塑复合材料的光老化过程。设置人工紫外加速老化方法总时长为960 h，以12 h为一个老化周期。采用发射波长为340 nm的紫外灯管代替太阳光，对材料试样进行紫外辐射，老化箱内部温度为60 ℃左右，并以0.89 W/m的照射强度照射8 h。然后，关闭紫外灯管，将老化箱内部温度设为50 ℃。在上一阶段中，老化箱底部的水形成水蒸气，上升接触到试样迅速变冷，冷凝成水滴附着在试样表面，冷凝4 h。对加速老化240、480、720和960 h后的木塑复合材料试样，按照ASTM G154─2006标准进行性能测试。

每组取3个试样，每个试样选择4个不同的位置。采用测色仪对不同老化时间后的试样表面颜色进行测量，计算颜色总体变化的程度，用色差值(ΔE)表示；采用光泽度仪对6组试样表面的光泽度进行测量，测量前对仪器进行校准，然后将仪器的测量口对准试样选定的4个位置，计算得出平均值；

采用微机电子万能力学试验机、材料冲击试验机等仪器测试试样的力学性能，抗弯性能测试按照GB/T 9341─2000标准进行，试样尺寸为65 mm×25 mm×3 mm，以5 mm/min的加载速度均匀施加载荷，记录最大载荷值，重复测量6个试样，取平均值。冲击性能测试按照ISO 179─1:2010标准进行，试样尺寸为80 mm×10 mm×3 mm，重复试样数为8个，取平均值作为结果。

实验结果

(1)颜色变化：在老化进程的前480 h，试样表面的颜色变化较为明显；老化960 h后，第1组的色差值大于50。添加了木质素的试样表面褪色较为明显，且木质素含量越高，颜色变化越明显。老化后，木质素含量最高的第6组，色差值达到了70，说明木质素是造成木塑复合材料器材褪色的主要因素；相比之下，仅添加纤维素的试样表面颜色较为稳定，在老化进程中，其色差值一直低于20。

(2)光泽度变化：试样经老化后，表面出现了开裂和粉化的现象，光泽度下降；在老化后的240 h，通过对比第2组和第3组，发现只有聚丙烯的试样光泽度与老化前相比变化很小；而掺入了纤维素的试样表面光泽度变化很大，说明纤维素可促进聚丙烯的光降解。对比后3个组发现，木质素含量最高的第6组，光泽度变化小于其他2个组，说明木质素可有效保护复合材料的表面光泽度；老化720 h后，各组试样的光泽度数值趋于一致。

(3)力学性能变化：老化240 h后，第3组试样的力学性能变化较大，弯曲强度保持率降低到了老化前的50%以下；老化960 h后，其冲击强度保持率只要29.3%。添加了木质素的试样，其随着老化时间的增加，抗弯曲强度和抗冲击强度的变化均较小，说明木质素的加入，有助于保持木塑复合材料的力学性能。

2.2 有机抗氧化剂对复合材料耐光老化性能的影响

与抗氧化剂复合材料的制备

增加了纯度为98%的维生素E(VE)和亚磷酸三酯(抗氧化剂168)参与木塑复合材料的制备。木粉与聚丙烯的质量比为4∶6，VE的添加量为木粉和聚丙烯总质量的0.1%、0.2%、0.4%和1.2%，分别用A、B、C、D这4个小组代表这4种VE添加量。另外，由于VE成本较高，且单独使用时自由基清除不彻底，因此选取了抗氧化剂168作为辅助抗氧化剂。设置对照组，加入抗氧化剂168与VE复配，各组分添加量如表2所示。抗氧化剂的总添加量为复合材料总质量的1.2%。木粉/聚丙烯复合材料的制备方法与上述实验的造粒热压制备方法一致。

表2 VE与抗氧化剂168的复配配方

实验方法与结果

实验方法与上述实验一致。无添加抗氧化剂、单独添加VE、VE与抗氧化剂168复配这3种体系对木塑复合材料的耐光老化性能的影响结果：

(1)VE的加入，几乎没有改变原木塑复合材料的表面颜色和弯曲前强度。老化过程中，VE减缓了复合材料的光降解进程，且VE含量越高，试样的耐光老化性更强。VE的添加，可抑制复合材料表面的光老化褪色，复合材料弯曲性能得到有效保持，表面裂纹较少；

(2)相比于添加一种抗氧化剂，二者的复配体系对木塑复合材料的光老化抑制效果更好。添加复配体系的复合材料在老化前后的表面颜色变化较小，弯曲性能保持较好，弯曲性能保持率由高到低依次为：1组、2组、3组、4组、对照组；

(3)当VE质量分数为0.2%、抗氧化剂168质量分数为l.0%时，试样在老化前后的表面颜色变化程度最小，弯曲性能保持率最高。

3 木塑复合材料耐光老化性保护对篮球架的作用

3.1 延长篮球架的使用寿命

在篮球架的结构中，篮球板最容易发生损坏。为满足篮球板透光率的需要，许多篮球板采用钢化玻璃制作，但室外温度剧烈变动情况下，容易出现自爆的问题。而木塑复合材料是一种高分子有机物，有着质轻、密度小、强度高的优势。对于篮球架而言，更强的质量有助于篮球架使用寿命的延长。木塑复合材料中二氧化硅、二氧化钛、VE等物质的添加，能够显著增加复合材料的耐光老化性，对延长木塑复合材料篮球架的使用寿命有着重要意义。

3.2 增强篮球架的耐腐蚀性

篮球支撑柱与底部箱体容易腐蚀生锈，不仅影响使用安全性也影响使用寿命。对木塑复合材料的耐光性进行保护研究，可在不改变原复合材料优良性能的基础上，通过助剂改善、调整木塑复合材料的密度、强度等，也可进一步增强复合材料自身的抗强酸碱、耐腐蚀、防水等性能。同时，木塑复合材料的耐光老化性保护研究，可有效解决篮球架普遍面临的真菌及白蚁的侵蚀和繁殖问题，减少生物腐蚀现象，便于对篮球架的日常维护和管理。为增强耐光老化性，通常对篮球架进行表面涂饰处理；同时，涂层的存在，也增强了篮球架对雨水的耐侵蚀性。

3.3 增强篮球架的力学延展性能

耐光老化性作为增强木塑复合材料的基础保护，是提升复合材料其他性能的重要途径。相较于金属和木质材料，塑料材料有着较好的力学延展性；而木塑复合材料作为纤维增强材料，有着更加优越的柔韧性、力学拉伸强度、弹性模量，等等。上述实验结果也表明，木塑复合材料的耐光老化性能的增强，也进一步扩大了其弯曲性能、冲击性能优势，从而高速、有效地提高篮球架的力学延展性。综合性能的改善，能够提升体育运动中篮球架的使用舒适性，提高运动效果。

4 结语

综上所述，木塑复合材料作为一种新型环保材料，可用于篮球架的设计与制造。但该材料篮球架在室外使用也避免不了光老化问题。以木粉/聚丙烯复合材料为例，探究了木粉组分和有机抗氧化剂对复合材料耐光老化性能的影响，当VE质量分数为0.2%、抗氧化剂168质量分数为l.O%时，材料的耐光老化性能最佳。木质素的存在有助于复合材料的力学性能的保持，纤维素的加入有助于增强老化过程中的颜色稳定性。耐光老化性的增强，也进一步延长了其使用寿命、增强了耐腐蚀性以及力学延展性等，有助于提升木塑复合材料篮球架的使用安全性与舒适性。