羅 海

(上海交通大學化學化工學院,上海200240)

木塑復合材料的光降解與光穩(wěn)定

羅 海

(上海交通大學化學化工學院,上海200240)

介紹了國內外木塑復合材料的發(fā)展現狀,分析了木塑復合材料的光降解機理,指出木塑復合材料的光穩(wěn)定必須綜合考慮木材和塑料兩方面的因素,對目前木塑復合材料光穩(wěn)定的可行途徑進行了討論,并展望了國內外木塑復合材料的發(fā)展趨勢。

木塑復合材料;光降解;光穩(wěn)定

0 前言

木塑復合材料是指用木質纖維增強填充改性熱塑性塑料的一種復合材料。它以天然或回收的植物纖維或顆粒為填充物,以回收的廢舊塑料為基體而制成。植物纖維主要為木纖維、劍麻纖維、黃麻纖維等,基體主要采用熱塑性塑料。木塑復合材料是一種新型的環(huán)保復合材料,兼有木材和塑料的成本與性能的優(yōu)點,經擠出、壓制或注射成型得到板材或其他制品,是替代木材和塑料的新型復合材料。這種材料能夠克服單一材料的缺點,充分發(fā)揮材料中各組分的優(yōu)勢,不僅改進了材料的力學性能和加工性能,而且降低了成本并擴大了應用范圍,還提高了材料的附加值。

木塑復合材料主要由基體、填充物及添加劑3部分組成:

(1)基體。由于植物纖維在高溫下容易分解,所以用作基體的材料必須有較低的熔點。目前應用比較廣泛的是高密度聚乙烯(PE-HD)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙稀(PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)以及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)等,其中聚乙烯(PE)的應用最為廣泛;

(2)填充物。選用植物纖維作為木塑復合材料的填充物,主要原因有:植物纖維比較廉價,易降解,而且密度小;植物纖維具有較高的剛度和強度,以及理想的長徑比;植物纖維具多孔性,在一定工藝條件下,熔融的塑料基體可以滲入到植物纖維的細胞空腔中,從而像鉚釘一樣將纖維和基體連接起來;

(3)添加劑。為了利于加工,生產出具有良好性能的木塑復合材料,通常需要加入一些添加劑。添加劑有潤滑劑、分散劑、紫外光穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑、阻燃劑等。為了提高木塑復合材料填充相與基體相間的相容性以及填充物的分散性,通常需要添加偶聯(lián)劑、相容劑以及沖擊改性劑等。偶聯(lián)劑可以提高無機填料和無機纖維與基體之間的相容性,同時也可以改善植物纖維與聚合物之間的界面狀況[1]。

木纖維和植物纖維是一種低成本、可提高塑料剛性的改性填充材料,目前,能否回收利用已成為工業(yè)界選材時考慮的重要因素。木塑復合材料的主要特點可歸結為:耐用、壽命長,有類似木質外觀,比塑料硬度高;具有優(yōu)良的物性,比木材尺寸穩(wěn)定性好,不會產生裂縫、翹曲、無木材節(jié)疤、斜紋,加入著色劑、覆膜或復合表層可制成色彩絢麗的各種制品;具有熱塑性塑料的加工性,容易成型,用一般塑料加工設備或稍加改造后便可進行成型加工,加工設備新投入資金少,便于推廣應用;有類似木材的二次加工性,可切割、粘接,用釘子或螺栓連接固定,可涂漆,產品規(guī)格形狀可根據用戶要求調整,靈活性大;不怕蟲蛀、耐老化、耐腐蝕、吸水性小,不會吸濕變形;能重復使用和回收再利用,環(huán)境友好;維護費用低[2]。

木塑復合材料的應用范圍有:(1)建筑及汽車方面應用。室內外各種鋪板、建筑模板、防潮隔板、樓梯板、扶手、路板等;汽車的底板、儀表板、頂板等;(2)物流方面的應用。各種規(guī)格的運輸托盤和出口包裝托盤、倉庫鋪墊板、各類包裝箱、運輸玻璃貨架等;(3)園林方面應用。室外桌椅、庭院扶手及裝飾板、露天鋪地板、廢物箱等;(4)室內裝潢方面應用。各種裝飾條、裝飾板、窗簾圈及裝飾件、天花板、壁板等[3]。

在北美,建筑材料特別是裝飾材料占有75%的木塑復合材料市場,木塑復合材料的戶外應用變得越來越廣,因此其對紫外光的耐受力越來越受到關注。紫外線可能導致復合材料表面發(fā)生化學變化,不但會引起褪色,使材料看起來不美觀;而且長期的紫外線照射還會最終導致材料力學性能的降低。但是國內外對木塑復合材料光降解與光穩(wěn)定的研究仍不多,缺少統(tǒng)計數據或試驗方法理論來研究其光穩(wěn)定效果。本文試圖對木塑復合材料的光降解與光穩(wěn)定做出綜合的分析和討論[4]。

1 木塑復合材料的光降解

木材和塑料的各自的光降解機理都有文獻報道,但是由于各組分之間復雜的相互作用,對木塑復合材料的光降解機理的研究顯得很困難。

作為聚合物降解的一個非常重要的因素,日光中的紫外線對塑料,特別是戶外應用的塑料有非常嚴重的破壞作用。波長小于175 nm的短波紫外輻射被高于地球表面100 km的大氣層中的氧所吸收,而175～290 nm的輻射則被同溫層臭氧層所吸收,被臭氧層吸收后所剩余的太陽光中的紫外部分,即波長為290～400 nm的輻射可引發(fā)戶外塑料的降解。

入射光可被聚合物表面反射,也可被聚合物本體散射或吸收。根據光化學第一定律(Grotthus-Draper定律),只有被聚合物有效吸收的那部分光才能引起光化學轉換,即降解。光化學第二定律(Stark-Einstein定律)認為分子吸收光是一個單量子過程,可知合成樹脂對光的吸收首先與其分子結構有關[5]。飽和烴不吸收波長大于290 nm的光,只有當分子中含有雙鍵生色團時,吸收向長波方向移動。例如,羰基化合物就能吸收波長大于290 nm的光。對于塑料的光老化,大多數研究者認為羰基是最主要的紫外線吸收單元,這也是導致塑料中的光引發(fā)反應的主要原因。而某些聚合物(如聚烯烴)雖然不能直接吸收波長大于290 nm的光,但由于聚烯烴中含有微量雜質,如殘余的催化劑和氧化產物等,所以也能發(fā)生光降解。

聚合物被光輻照時,由于內部的吸收官能團被激化,于是產生自由基。在氧存在下,塑料還同時被氧化。這種光氧化降解過程的機理更加復雜,其簡要如下:

(1)自然界中的三線態(tài)氧分子吸收光能而躍遷變成活性很大的單線態(tài)氧分子;

(2)單線態(tài)氧和聚合物反應成為氫過氧化物ROOH,形成了生色團,使聚合物更容易吸收紫外線而發(fā)生降解;

(3)ROOH吸收光能后生成 RO·和·OH自由基;

(4)RO·自由基奪取聚合物中的 H原子,生成大分子自由基R·,而R·容易氧化生成ROO·,進而繼續(xù)催化聚合物氧化;

(5)RO·也可能斷鏈產生羰基和大分子自由基;

(6)羰基容易吸收紫外光,發(fā)生Norrish I型反應(α斷裂),相對分子質量下降,而且又生成2個新的自由基。如果聚合物分子中有適當支鏈存在,也可能發(fā)生Norrish II(β斷裂),生成雙鍵和新的羰基產物。

以PE為例,羰基的降解可能按照Norrish I型反應或者Norrish II型反應進行反應。Norrish I型反應在紫外線照射下發(fā)生,生成自由基。然后,這些自由基攻擊聚合物(如圖1所示),直到交聯(lián)或者鏈斷裂才中止。如果按照Norrish II型進行反應,則會生成羰基和乙烯基,引起斷鏈(如圖2所示)[6]。

木材的光降解由其各組分(主要有纖維素、半纖維素、木質素)的降解組成。木材的最主要組分(40%～50%)是纖維素,這是一種高相對分子質量線形聚合物,4β交聯(lián)右旋葡萄糖單體。它組成的微纖維主要提供木材的力學性能。半纖維素(占木材的25%～30%)與纖維素結合在一起,是一種支鏈低相對分子質量聚合物,由幾種糖單體組成,如戊糖(樹膠醛醣與木糖),已糖(半乳糖、葡萄糖、甘露糖)。最后是木質素(占木材的15%～30%),它有酚類結構,作為在管胞細胞壁微纖維之間的一種黏結劑[7]。

圖1 PE-HD光降解的Norrish I型反應Fig.1 Norrish type I reaction of PE-HD light degradation

圖2 PE-HD光降解的Norrish II型反應Fig.2 Norrish type II reaction of PE-HD light degradation

如圖3所示,考察了木材的化學組分(纖維素、半纖維素和木質素)的光敏感性,可以看出,木質素在紫外-可見光區(qū)有相對較強的吸收,可見木質素是木材光降解的最重要結構。從圖3也可以發(fā)現木材的降解不僅僅是由于紫外線,也與較短波段的可見光有關[8]。

圖3 木材、木質素、纖維素的紫外及可見光反射光譜Fig.3 UV-visible light reflection spectra of wood,lignin and cellulose

木質素的光降解機理很復雜,有幾種不同的途徑生成游離苯氧基自由基,這些自由基轉變?yōu)轷徒Y構,繼而引起斷鏈和發(fā)黃,最終都導致生成有特征性黃色的生色基團,這些是木材表面發(fā)黃的本質原因。著名的反應途徑之一是苯醌氧化還原循環(huán)反應(Phenoxy Quinone Redox Cycle)(如圖4所示)。該反應說明對苯二酚和對醌是一對氧化還原對。在光線照射下,此過程由對苯二酚生成對醌(生色基)開始,然后進一步與對苯二酚反應,形成循環(huán)[9]。

圖4 苯醌氧化還原循環(huán)反應Fig.4 Reaction of phenoxy quinone redox cycle

對戶外應用的無涂層木材的研究發(fā)現,隨著時間的變化,主要存在2種不同的降解。在短期里,可以觀察到的主要是顏色變化,其中軟木,在CIELab系統(tǒng)里,黃色區(qū)域向加深的方向變化;硬木的顏色變化更復雜,有研究觀測到邊材與心材色差的增大,這個結果也解釋了為何在實際用于鑲木地板的木料中,要去除白色邊材。從長期來講,有研究也觀測到木材在光照下黏彈性的變化,通過用動態(tài)熱機械分析儀(TMA)測得光照后木材的玻璃化轉變溫度的增加,可以表征這種變化。

但是木塑復合材料中既有塑料也有木材,它們有不同的降解機理,每個組分都可以不同的方式降解,而且組分之間還存在復雜的相互作用,所以木塑復合材料的光降解機理更加復雜。

2 木塑復合材料的光穩(wěn)定途徑

用于塑料光穩(wěn)定的產品多種多樣,在光氧化降解的引發(fā)階段,可以通過屏蔽紫外線、吸收紫外光、猝滅活性發(fā)色團等光物理過程,轉移紫外線能量而加以防止;在光氧化降解的增長階段,可以通過受阻胺捕獲自由基、分解氫過氧化物等光化學反應加以抑制。光穩(wěn)定劑按其作用機理可分為4大類:光屏蔽劑、紫外線吸收劑、猝滅劑和受阻胺類光穩(wěn)定劑[10]。

(1)光屏蔽劑

光屏蔽劑又稱屏蔽劑,是一種能夠反射或吸收紫外光的物質,通常作為光屏蔽劑的多是一些無機顏料和填料,常見的光屏蔽劑有炭黑、氧化鋅、氧化鈦等。

(2)紫外線吸收劑

紫外線吸收劑是光穩(wěn)定劑中使用最早、用量最大的一類,紫外線吸收劑按化學結構主要分為5類:二苯甲酮類 ,如 UV-9、UV-214、UV-53l、UV-1200 等 ;苯并三唑類 ,如 UV-P、UV-327、UV-326 等;水楊酸酯類 ,如亞異丙基雙苯酚水楊酸酯(BAD)、水楊酸對叔丁基苯酯(TBS)、水楊酸對叔辛基苯酯(OPS)等;三嗪類,如紫外線吸收劑三嗪-5等;取代丙烯腈類,如UV-Absorb-er317等。紫外線吸收劑可以有效地吸收紫外線,立即將其轉化成無害的光能形式釋放出去[11]。

(3)猝滅劑

猝滅劑是聚合物在降解引發(fā)階段的能量轉移劑,聚合物在吸收紫外光后被激活,在沒有產生自由基之前,多余的能量被轉移給猝滅劑,本身回到基態(tài),這時猝滅劑可以將這部分能量轉化為無害的熱能形式釋放出去。目前使用的猝滅劑主要是二價鎳螯合物,有機部分為取代酚或硫代雙酚等。主要產品有二硫代氨基甲酸鹽、膦酸單酯鎳型和硫代雙酚型等。

(4)受阻胺類光穩(wěn)定劑

由30多年前開始發(fā)展的受阻胺光穩(wěn)定劑是聚合物光穩(wěn)定的一個最重要進展。受阻胺類光穩(wěn)定劑是一類具有空間位阻效應的以2,2,6,6-四甲基哌啶為母體的化合物,第一個商品化的受阻胺類光穩(wěn)定劑是雙(2,2,6,6-四甲基-4-呱啶基)癸二酸酯,它不吸收波長大于250 nm的任何光輻射。因此從經典意義上講,它不能視為是一種紫外吸收劑,甚至也不能視為是一種激發(fā)態(tài)猝滅劑[12]。過去30年來,人們提出了很多受阻胺類光穩(wěn)定劑的穩(wěn)定化機理,除了紫外線吸收可以排除外,其他3種機理是否適用于受阻胺類光穩(wěn)定劑,還需要討論,目前也正在進行相關的研究,但重點是自由基捕獲機理[13]。

受阻胺類光穩(wěn)定劑是一種新型高效光穩(wěn)定劑,其效果為傳統(tǒng)穩(wěn)定劑的2～4倍,與紫外線吸收劑和抗氧劑有良好的協(xié)同效應。該類穩(wěn)定劑不會使樹脂著色,低毒或無毒,能滿足薄膜制品、纖維制品和食品包裝材料的要求,近20年來得到快速發(fā)展,許多性能優(yōu)異、結構獨特的多功能品種不斷被開發(fā)與應用。目前,已成為全球光穩(wěn)定劑的主導產品和最具發(fā)展前途的光穩(wěn)定劑品種[14]。

塑料用的光穩(wěn)定劑大部分也可以用于木材。比如木材表面的穩(wěn)定化,也可以使用自由基捕獲劑。但是由于木材本身的一些酚類提取物已經具有很好的抗氧能力,所以在有些情況下,我們可以用從耐久材中提取的天然物來作為抗氧劑保護軟木。

紫外吸收劑也可用于保護木材。通過選擇吸收290～400 nm波段的紫外線,紫外線吸收劑可以防止木材中紫外感光基團的光敏反應,可以保護木材不至于變色、性能下降等。由于木質素對長波段紫外光和可見光的光敏性,對木材表面的最佳保護應該是能很好吸收340～400 nm波段光的紫外吸收劑[15]。

受阻胺類光穩(wěn)定劑也可以通過捕獲自由基來遏制木質素的光氧化,以達到保護木材的目的。它能保持木材的力學性能,也能有效抵抗諸如變色、表面的光澤下降、微裂紋等現象的發(fā)生[16]。

基于聚烯烴的紫外降解機理和紫外線吸收劑、受阻胺類光穩(wěn)定劑的作用機理,木塑復合材料工業(yè)也已采用紫外線吸收劑、受阻胺類光穩(wěn)定劑作為其紫外光穩(wěn)定劑的一部分。例如,Stark研究了幾種光穩(wěn)定劑的作用,包括2種不同受阻胺類光穩(wěn)定劑、一種紫外線吸收劑和一種著色劑,考察了其對木粉填充PE-HD的紫外穩(wěn)定性能[17]。Muasher等研究了用幾種不同受阻胺類光穩(wěn)定劑穩(wěn)定的木塑復合材料表面的化學改變和顏色變化,對不同受阻胺類光穩(wěn)定劑的結構及其各自對木塑復合材料的光穩(wěn)定效果進行了比較分析[18]。

需要指出的是,高效的光穩(wěn)定方法必須同時有抗氧化的措施,因為光氧化降解才是光降解的主要反應過程,單用光穩(wěn)定類添加劑的光穩(wěn)定效果不如光穩(wěn)定劑與抗氧劑并用的效果。而且,不同類型的光穩(wěn)定劑之間,及其與抗氧劑之間并用效果的優(yōu)劣相差很大,不合理的并用可能出現對抗效應,反而有害。因此,為了使某一體系具有高效的光穩(wěn)定效果,必須根據材料、穩(wěn)定劑等各自的特點,經過合理的選擇與調配,使穩(wěn)定體系中的各個組分達到最佳的協(xié)同效應,才能使高分子材料有盡量持久的光穩(wěn)定性。

木塑復合材料光降解機理的復雜性也決定了其光穩(wěn)定研究的復雜性,塑料和木材有不同的降解機理,都可以以不同的方式降解,而且組分之間還存在復雜的相互作用,所以對木塑復合材料的光穩(wěn)定研究也更加復雜。針對木塑復合材料的光穩(wěn)定體系的系統(tǒng)化的研究還未見報道,需要大量的實際老化效果的實驗數據來支持相關降解機理的建立。

3 木塑復合材料發(fā)展展望

木塑復合材料于20世紀90年代在美國和加拿大開始興起,由于其在資源利用與環(huán)境保護方面的優(yōu)勢,在國際上迅速發(fā)展。1991年,第一屆木塑復合材料國際研討會在美國威斯康星州麥迪遜召開,會議召集很多塑料和林產品工業(yè)的研究人員和代表,共同探討了木塑復合材料研究和發(fā)展的理論與技術,之后隔年在北美和木塑復合材料市場有所增長的其他地方召開。2006年前,美國木塑復合材料需求平均增長率為13%;增長最快的為各種板材、窗框、門框和柵欄、圍墻市場。其中用量最大的為板材,總產值從2001年的4.10億美元增加為2006年的9億美元;柵欄和圍墻從2001年的1.63億美元提高為3.15億美元;而窗框和門框也從2001年的0.65億美元提高到1.35億美元[19]。

隨著人們環(huán)保意識的加強,要求保護森林資源、減少利用新木材的呼聲日趨高漲,因此回收利用低成本的廢舊木材和塑料成為工業(yè)界和科學界普遍關注的問題。由于廢木材和植物纖維以前都只能焚燒處理,產生的二氧化碳對地球有溫室效應,因此木材加工廠也在努力尋找把其轉化為高附加值新產品的有效方法。同時,塑料回收再利用也是塑料工業(yè)技術重點開發(fā)的方向,塑料能否回收利用已成為塑料加工業(yè)選材的重要依據之一。在這種情況下,木塑復合材料應運而生,人們也加大了對木塑復合材料的研究和開發(fā)的力度,并取得了實質性的進展,其應用也呈加速發(fā)展趨勢。

我國每年有數百萬噸廢木屑、廢塑料,其回收率低于20%。如果將這些廢物充分利用,其產生的經濟效益和社會效益將是巨大的。隨著農村生產、生活水平的日益提高,過去被用作農村燃料的富含植物纖維的農作物秸稈已逐漸被液化氣、煤氣等清潔燃料所取代。除少量農業(yè)植物纖維被用于生產飼料及經濟作物(如蘑菇)以外,大量的被焚燒處理掉。這不僅造成資源的嚴重浪費,還對農村及其周邊城市的環(huán)境造成損害。據調查,國內農業(yè)植物纖維的年產量在幾千萬噸以上,木粉在 1000 kt以上,其他天然纖維也有 5000～10000 kt,為我國木塑復合材料的發(fā)展提供了豐富的原料基礎[20]。

我國對木塑復合材料技術也進行了多年的研究,并取得了一些階段性的成果,但在如何保證拉伸、彎曲和沖擊強度等力學性能與硬木相當的前提下,盡量降低生產成本,擴大原材料的供應范圍以滿足大規(guī)模工業(yè)生產的需要一直是科研人員面臨的問題。北京化工大學自1999年起就開始研究木塑復合材料一步法擠出成型生產技術,現已形成相對完整的工藝生產路線;北京化工研究院在木粉填充塑料擠出成型的工藝、配方、專用設備、制品模具設計等方面已取得了較大突破;中國林科院木材所在壓制工藝木塑板材制品開發(fā)上也取得了可喜的進展;北京工商大學、唐山塑料研究所、國防科技大學、廣東工業(yè)大學等也都在木粉改性填充塑料方面進行了研究開發(fā)[21]。

4 結語

由于木塑復合材料具有單純的木材和塑料無法比擬的諸多優(yōu)點,已受到國內外的廣泛關注。該材料不含甲醛系膠黏劑,是綠色環(huán)保材料,可以回收利用低成本的廢舊木材和塑料,用此技術生產出來的木塑復合材料可替代木材使用,有力地緩解了我國森林資源貧乏的現狀。木塑復合材料生產技術既符合國家經濟形勢發(fā)展的需要,也符合國家的產業(yè)政策,而且產品使用范圍廣,因此,可以相信木塑復合材料是一種極具發(fā)展前途的材料,也是一項有生命力有市場開發(fā)前景的創(chuàng)新技術,具有廣闊的市場前景和良好的經濟效益和社會效益。

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Light Degradation and Light Stabilization of Wood-plastic Composites

LUO Hai
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

The development situation of the wood-plastic composites(WPC)was introduced.The light degradation mechanism of WPC was discussed.In order to ensure the light stability of WPC,the nature and properties of both the wood and plastics must be considered.The possible way for stabilization of WPC were also discussed,and the future development of WPC in China and the world were forecast.

wood-plastic composite;light degradation;light stabilization

TQ322.2

A

1001-9278(2011)05-0024-06

2011-01-11

聯(lián)系人,luo_hai@hotmail.com