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        微發(fā)泡木塑復(fù)合材料耐腐性能的研究

        2012-07-30 10:01:30姜志宏
        浙江林業(yè)科技 2012年2期
        關(guān)鍵詞:木粉木塑損失率

        朱 遠,姜志宏

        (浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院,浙江 臨安 311300)

        木塑復(fù)合材料(WPCs)是指以一定比例混合的天然纖維材料與熱塑性塑料,添加特定助劑后,經(jīng)特殊工藝處理加工成型的一種新型環(huán)保材料[1]。因其結(jié)合了木材和塑料的雙重優(yōu)點,被運用于各種領(lǐng)域,市場前景廣闊。

        作為一種新的材料,木塑復(fù)合材料在使用過程中除因熱塑性塑料而致的長期蠕變的缺點外,也曾發(fā)現(xiàn)存在腐朽的現(xiàn)象。Morris等在 1998年發(fā)現(xiàn)了木塑復(fù)合材料在野外土壤中及走廊地板上產(chǎn)生了腐朽現(xiàn)象[2]。Mankowski和Morrell等在2000年發(fā)現(xiàn)在木粉含量高的HDPE木塑材料中存在明顯的腐朽現(xiàn)象,并通過電鏡觀察到了腐朽菌的生長[3]。Pendleton等人把HDPE木塑復(fù)合材放到有白腐菌、褐腐菌的培養(yǎng)皿中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)條件下均沒有顯著的腐朽現(xiàn)象,通過掃描電鏡觀察到了菌絲體較集中生長在木粉與塑料的界面上[4]。此外 ,美國硼砂防腐實驗室的試驗結(jié)果也表明,霉腐真菌能引起WPCs制品10% ~ 20%的質(zhì)量損失[5]。李大綱等研究了幾種不同木塑材料的耐腐性能,發(fā)現(xiàn)木塑復(fù)合材料的總體耐腐性能較好,質(zhì)量損失率在2.6% ~ 5.1%,特別發(fā)現(xiàn)內(nèi)部夾竹條的木塑材料因竹條端部暴露而質(zhì)量損失率稍大[6]。然而,對PVC微發(fā)泡木塑復(fù)合材料的天然耐腐性能研究的相關(guān)文獻幾乎沒有,研究木塑比對木塑材料耐腐性能的文章也不多見。因此,本文對實驗室自制 5種不同木塑比的PVC微發(fā)泡木塑復(fù)合材料進行天然耐腐性能試驗,旨在探明木塑比對木塑復(fù)合材料天然耐腐性能的影響。

        1 材料與方法

        1.1 試材與試菌

        試材:小型木塑生產(chǎn)線自制的5種擠出成型的PVC木塑復(fù)合材料,木塑比為30/100,35/100,40/100,45/100,50/100(分別記為木30,木35,木40,木45,木50);試件尺寸:20mm×20mm×5mm,每種材料取6塊試件。試件上下兩個正方形表面因模壓而使木質(zhì)材料未直接暴露于外,其余表面因鋸切形成斷面而使木質(zhì)材料直接暴露于外。

        對照試材:馬尾松邊材,試件尺寸:20 mm×20 mm×10 mm,6塊試件。

        飼木:馬尾松邊材;尺寸:22 mm×22 mm×3 mm。

        實驗試菌:綿腐臥孔菌(Poria placenta)(褐腐菌)。

        1.2 主要設(shè)備儀器

        101A-3型電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(溫度300℃±2℃),MJX-150恒溫恒濕培養(yǎng)箱(溫度5 ~ 50℃,相對濕度50% ~ 95%),LDZX-40BI型立式自動電熱壓力蒸汽滅菌器(壓力0.25 MPa,溫度126℃),STA409PC同步熱分析儀,SS-550型掃描電子顯微鏡,SW-CJ-1F超凈工作臺,JJ500型電子天平(感量0.01g),波美比重計(波美度1.00 ~ 1.10)。

        1.3 試驗方法

        參照國家標準GB/T13942.1-2009《木材耐久性性能 第一部分:天然耐腐性實驗室試驗方法》。

        先將試菌接種至裝有麥芽糖瓊脂培養(yǎng)基的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)7 ~ 10 d,接著將菌絲塊接種至裝有河沙鋸屑培養(yǎng)基的廣口瓶中,放入飼木,繼續(xù)培養(yǎng)10 d,然后將木塑試件和馬尾松對照材放入廣口瓶中長滿菌絲的飼木上,在恒溫恒濕箱中培養(yǎng)12周后,取出稱取試件質(zhì)量,計算質(zhì)量損失。計算公式如下:

        式中,W1為試樣試驗前的全干質(zhì)量,W2為試樣試驗后的全干質(zhì)量。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 木塑復(fù)合材料受菌侵染后的質(zhì)量損失

        試件的耐腐性能用試件腐朽后的質(zhì)量損失百分率來衡量,各試件的耐腐試驗結(jié)果如表1所示。

        表1 不同試件受菌侵染后質(zhì)量損失率Table 1 Mass loss rate of different tested specimens

        由表1可見,經(jīng)過12周的受菌侵染后,木塑復(fù)合材料的質(zhì)量損失率均較小,保持在3.5%以內(nèi),最小的僅為1%左右,屬于強耐腐等級;而馬尾松邊材試件的平均質(zhì)量損失率達25.20%,約為木塑復(fù)合材料的7 ~ 25倍,屬于稍耐腐等級。由此說明,木塑復(fù)合材料的耐腐性能良好,腐朽后的質(zhì)量損失率遠小于馬尾松邊材,這是因為木塑復(fù)合材料中的木質(zhì)纖維材料被不易受菌侵染的塑料基質(zhì)所包圍,木腐菌較難進入材料內(nèi)部腐蝕木質(zhì)材料,因而木塑復(fù)合材料的耐腐性能大大高于木材的耐腐性能。此外,木塑復(fù)合材料腐朽后的質(zhì)量損失率隨著材料中木粉含量的提高而增大,木30的平均質(zhì)量損失率為1.61%,木35為1.69%,木40為2.02%,木45為2.06%,木50為2.99%,這也說明了木塑材料在受菌侵染時,主要是其中的木質(zhì)材料受到腐蝕,木粉含量越高,其受腐蝕程度也越大。

        為進一步驗證木粉含量對木塑試件質(zhì)量損失率的影響,將5種木塑材料的質(zhì)量損失率進行單因子重復(fù)方差分析,結(jié)果見表2。

        表2 不同木塑比木塑復(fù)合材料受菌侵染后平均質(zhì)量損失率方差分析Table 2 ANOVA on average mass loss rate of different kind WPCs

        由表2可見,在α= 0.001水平下,木粉含量對木塑材料的質(zhì)量損失率影響高度顯著。

        圖1為采用指數(shù)函數(shù)y= a×exp(x/b)+c對5中木塑材料的平均質(zhì)量損失率進行擬合,模型參數(shù)的擬合值和擬合決定系數(shù)如表3所示。

        由擬合結(jié)果可知,木粉含量對與試件質(zhì)量損失率大致呈指數(shù)關(guān)系,指數(shù)函數(shù)對其擬合結(jié)果較好,擬合方程為y= 0.01478exp(x/1.10893)+1.62704,決定系數(shù)R2為0.92358。

        圖1 不同材料質(zhì)量損失率平均值的指數(shù)函數(shù)擬合Figure 1 Exponential function for fitting of average mass loss rate of different kind WPCs

        2.2 木塑復(fù)合材料受菌侵染前后的掃描電鏡(SEM)分析

        圖2 為木40在腐朽前后表面和斷面的電鏡掃描圖。

        由圖2可見,木塑材料在腐朽試驗前,表面平整光滑,經(jīng)過 12周的木腐菌侵染后,表面結(jié)構(gòu)仍較為完整,幾乎未受破壞,表面菌絲雖經(jīng)過清理,但在500倍電鏡放大后還是能觀察到一些菌絲存在于試件表面。而對于木塑材料的斷面,由于木質(zhì)材料直接暴露于外面,木腐菌較為容易進入試件內(nèi)部進行侵染。在1000倍電鏡放大后觀察,可以看到腐朽后木塑材料斷面明顯留有較多的菌絲,這些菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中。由此推測,加強木塑復(fù)合材料界面的結(jié)合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

        表3 指數(shù)模型參數(shù)擬合值及擬合決定系數(shù)Table 3 Fitting value of parameters and determination coefficient of fitting model

        圖2 木塑材料腐朽前后電鏡掃描圖Figure 2 SEM picture of specimens before and after test

        2.3 木塑復(fù)合材料受菌侵染前后差示掃描量熱法(DSC)分析

        圖3為木40腐朽前后0 ~ 600℃的差示掃描量熱法分析圖。

        由圖3可知,在80℃左右,木塑材料出現(xiàn)了一個明顯的吸熱峰,這正好與PVC玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為80℃相符合。在280℃前木塑復(fù)合材料腐朽前后的DSC曲線基本保持一致,這正是PVC的熱解溫度范圍,這也再一次說明了木腐菌對PVC的影響微乎其微。在300℃左右,DSC曲線出現(xiàn)了最大的吸熱峰,這是因為木材熱解生成小分子氣體和大分子的可冷凝揮發(fā)分而造成的明顯失重,這也是木材熱解過程中最主要的吸熱階段。從圖中可以看出,腐朽后木塑材料的吸熱峰略小于腐朽前,說明腐朽后木塑材料中的木質(zhì)材料受到部分破壞。400℃之后,腐朽后的木塑材料開始出現(xiàn)放熱現(xiàn)象,我們認為這是熱解殘留物進行最后的緩慢分解而放出的熱量所致。未腐朽木塑材料要等到510℃以后才會出現(xiàn)這種放熱現(xiàn)象。

        圖3 木40腐朽前后DSC分析Figure 3 DSC picture of one specimen before and after test

        3 結(jié)論

        (1)木塑復(fù)合材料天然耐腐性能很好,質(zhì)量損失率在1.6% ~ 3.0%,馬尾松邊材的質(zhì)量損失率為木塑材料的7 ~ 25倍,說明木塑材料的耐腐性能遠好于馬尾松邊材。此外,木塑復(fù)合材料的耐腐性能隨著木粉含量的提高而降低。

        (2)通過電鏡掃描分析,木塑材料腐朽后,菌絲主要存在于木粉與塑料的界面空隙中,加強木塑復(fù)合材料界面的結(jié)合性可以提高木塑材料的耐腐性能。

        (3)通過差示掃描量熱法分析,腐朽前后木塑材料的DSC曲線在280℃前基本一致,木塑材料中的PVC材料幾乎未受破壞,再一次說明木腐菌主要對木塑材料中的木質(zhì)纖維材料進行腐朽。

        [1]王偉宏,李春桃,王清文. 木塑復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及制造關(guān)鍵技術(shù)[J]. 現(xiàn)代化工,2010(1):6-10.

        [2]Morris P I, Cooper P A. Recycled plastic/wood composite lumber attacked by fungi[J]. For Prod J, 1998, 48(1):86-88

        [3]Mankowski M, Morrell J J. Patterns of fungal attack in wood plastic composites following exposure in a soil block test[J]. Wood Fib Sci, 2000, 32(3):340-345

        [4]Pendlefton. Durability of an extruded HDPE/ wood composite[J]. For Prod J, 2002, 52(6):21-27.

        [5]馮靜,施慶珊,歐陽友生,等. 木塑復(fù)合材料的霉腐真菌危害及防霉抗菌劑的應(yīng)用進展[J]. 精細與專用化學(xué)品,2007,15(24):6-9..

        [6]李大綱,葉永連. 木塑復(fù)合材料對白腐菌的耐久性研究[J]. 中國建材科技,2010(s1):104-107.

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