蔡培鑫，呂 群，梁夢杰，張清鋒

（杭州師范大學材料與化工化學學院，浙江杭州 310036）

PP/PE基木塑復合材料的力學性能研究

蔡培鑫，呂 群，梁夢杰，張清鋒

（杭州師范大學材料與化工化學學院，浙江杭州 310036）

以PP和HDPE的混合物為塑料基體，EPDM為增韌劑，木粉為填料，采用擠出成型法制備了PP/PE基木塑復合材料（WPC），研究了配方中PP/PE比例、EPDM加入量變化對WPC力學性能的影響.結果表明：隨著WPC中PP質量分數的增加，WPC的彎曲模量增加，但彎曲強度和沖擊強度均出現先減小后增大的現象；隨著塑料基體中EPDM加入量增加，WPC的沖擊強度增加，但其彎曲強度和彎曲模量降低.

木塑復合材料；聚丙烯；聚乙烯；力學性能

0 引 言

木塑復合材料（WPC）是以植物纖維（如木粉、竹粉、糠粉、秸稈粉等）和熱塑性塑料（如PE、PP、PVC、PS、ABS等）為主要原料制成的一類復合材料，其產品主要用作木材的替代品.WPC具有一系列優(yōu)點，如像木材一樣可刨、可釘、可鋸，且吸水率低，不蟲蛀，耐腐蝕性優(yōu)于木材，并可以像熱塑性塑料一樣回收利用，是一種優(yōu)良的綠色環(huán)保材料［1］.近年來，木塑復合材料的開發(fā)與產業(yè)化得到了全世界的廣泛重視.

可用于制備WPC的熱塑性塑料品種較多，本文研究的WPC是以PE、PP（或它們的混合物）作為塑料基體，用木粉作為填料，用擠出成型法制成的一種WPC.由于PE和PP之間相容性較差，加上PE與PP的結晶速率不同，從而會對WPC的成型制備和其制品的力學性能造成不利影響［2－5］，因此，目前工業(yè)生產上主要采用較純的廢舊PE或PP為原料來制備WPC.但是，目前市售的回收廢舊塑料大多是不純的混雜塑料，如PE和PP因密度相近，容易相互混雜在一起.若要將這些混雜廢舊塑料完全分離歸類，既耗時又耗費，從而限制了目前工業(yè)制備聚烯烴基WPC的塑料原料來源.為了解決這一技術問題，已有以PE和PP混合物作為塑料基體制備PP/PE基WPC的研究報道［5－7］.但是，在這些研究中，WPC中大多木粉含量很低，且主要采用注塑成型或壓制成型法來制備WPC樣品，而對于采用擠出成型法制備高木粉含量PP/PE基WPC的研究卻鮮見報道.

本文以PE和PP的混合物作為塑料基體，EPDM為相容劑，木粉為填料，用擠出成型法制備了高木粉含量的PP/PE基WPC，研究了配方中PP/PE比例、EPDM加入量變化對WPC力學性能的影響，目的在于為PP/PE基WPC的生產制備、混雜塑料的綜合利用和拓展WPC生產所需塑料原料的來源提供基礎.

1 實驗部分

1.1 主要原料

白楊木粉，60目，浙江省德清林牌木粉有限公司；高密度聚乙烯（HDPE），5000S，蘭州石化；聚丙烯（PP），T30S，中國石化股份有限公司茂名分公司；馬來酸酐接枝聚乙烯（MAPE）、馬來酸酐接枝聚丙烯（MAPP），佛山市南海柏晨高分子新材料有限公司；三元乙丙橡膠（EPDM），3722P，美國陶氏；潤滑劑，實驗室自制.

1.2 主要儀器設備

SHR－10高速混合機，張家港市輕工機械廠有限公司；SHJ－36平行雙螺桿擠出機，南京杰恩特機電有限公司；SJMS－45錐形雙螺桿擠出機，武漢澤琦塑料機械制品有限公司；UTM4204－20KN萬能試驗機，珠海三思試驗設備有限公司；XJ－50Z液晶顯示沖擊試驗機，承德世鵬檢測設備有限公司.Q2000差示掃描量熱儀（DSC），美國TA公司.

1.3 樣品制備

按表1配方分別稱取干木粉、PP、HDPE、EPDM（或不加）、MAPP、MAPE、助劑等，其中m（MAPP）∶m（MAPE）＝m（PP）∶m（HDPE）.將配方料加入高速混合機中混合均勻，用平行雙螺桿擠出機擠出造粒，然后用錐形雙螺桿擠出機擠出成型，制得WPC.

表1 木塑復合材料制備配方Tab.1 Formulation of WPC /%

1.4 測試與表征

1）力學性能測：試按照GB/T9341—2000、GB/T1043—1993分別測定WPC的彎曲和沖擊性能，分別平行測定10次取平均值，彎曲速度5mm/min，測試溫度23℃.

2）熱分析：將WPC破碎后取樣進行DSC熱分析，測試溫度為室溫至200℃，升溫速率為5K/min，保護氣N2流量為15mL/min.

2 結果與討論

2.1 塑料基體中PP/PE比對WPC力學性能的影響

按表1中配方A1－A5和B1－B5制備WPC板材，研究了塑料基體中PP/PE質量比對WPC彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度的影響，結果見圖1－圖4.

圖1所示為WPC的彎曲強度與塑料基體中PP/PE質量比（圖1中為PP質量占PP和PE總質量的百分數）的關系.由圖1可見，當塑料基體中PP質量分數為50%（即PP/PE質量比為1/1）時，WPC的彎曲強度最低.這是因為PP、PE結晶速率及形式不一致而各自形成結晶區(qū)，相互之間難以形成共晶，因此兩者界面相容性較差［5，8－9］，而PP質量分數為50%時，PP與PE的界面面積最大，此時兩者的相容性最差［10］.由圖1還可見，在配方中加入PP和PE總質量10%的EPDM后，仍然是在PP質量分數為50%時WPC的彎曲強度最低.這表明在WPC中，加入EPDM后雖然在宏觀上具有增韌和增容效果（后文將表明其加入可提高WPC的沖擊強度），但并沒有改變PP和PE兩者的結晶形式與結晶度，這一點可從圖2中找到依據.

圖2所示為WPC的DSC曲線，圖中曲線1為WPC中未加入EPDM的DSC曲線，曲線2為WPC中加入了EPDM的DSC曲線.由圖2可見，配方中加入EPDM后，PP和PE結晶峰的位置沒有改變，這表明EPDM在WPC中沒有顯著改變PP和PE的結晶形式.由圖2還可見，加入EPDM后，雖然PP和PE的結晶峰面積有所減小，但其減小量剛好等于EPDM加入后塑料基體中PP和PE質量分數減少的量，這表明在WPC中加入EPDM后并沒有顯著改變PP和PE的結晶度.

圖3所示為WPC的彎曲模量與塑料基體中PP/PE質量比（圖中為PP占PP和PE總質量的百分數）的關系.由圖3可見，隨著塑料基體中PP質量分數的增加，WPC的模量增加，這是因為PP的模量大于PE.由圖3還可見，加入EPDM后，WPC的模量顯著降低，這是因為EPDM的模量比PP和PE小，因此，為了保證WPC具有足夠的彎曲模量，EPDM的加入量不宜過多.

圖4所示為WPC的沖擊強度與塑料基體中PP/PE質量比（圖中為PP占PP和PE總質量的百分數）的關系.由圖4可見，隨著塑料基體中PP質量分數的增加，WPC的沖擊強度持續(xù)降低，這是因為PP的沖擊強度比PE低；在配方中加入EPDM后，WPC沖擊強度增大，這表明EPDM對于WPC具有較顯著的增韌作用，其增韌作用機理類似于塑料增韌機理.由圖4還可見，WPC沖擊強度隨著PP質量分數增加而變化的曲線是一條凹線，這表明WPC中PP和PE的相容性并不理想，這主要是因為PP/PE之間相容性差引起的［5，9］.

2.2 EPDM含量變化對WPC力學性能的影響

按表1中配方C1－C5，在保持塑料基體中m（PP）∶m（PE）＝1∶1的條件下，改變EPDM的加入量，制得不同EPDM含量的WPC，測定其力學性能，結果見圖5－圖7.

圖5所示為WPC的沖擊強度與其塑料基體中EPDM加入量的關系.由圖5可見，隨著EPDM加入量的增加，WPC的沖擊強度增大，這表明EPDM的加入對WPC的韌性效果明顯，其增韌機理與EPDM增韌PP/PE塑料共混物的機理相同.

圖6所示為WPC的彎曲強度與塑料基體中EPDM加入量的關系.由圖6可見，WPC彎曲強度變化的總體趨勢是隨著塑料基體中EPDM加入量的增加而減小，這是因為EPDM的彎曲強度低于PP和PE.圖6中WPC不加入EPDM時，其彎曲強度反而低于EPDM加入量為5%的點，這是因為EPDM具有促進PP和PE相容的功能，不加入相容劑EPDM制得的WPC樣品中PP和PE的相容性不太好［8－9］.

圖7所示為WPC的彎曲模量與EPDM加入量的關系.由圖7可見，隨著WPC中EPDM加入量的增加，WPC的彎曲模量顯者減小，其原因與上述WPC彎曲強度隨EPDM含量增加而減小相同.由圖7還可見，隨著EPDM加入量的增加，WPC的彎曲模量開始降低較快，然后降低速度趨緩.

綜合圖5－圖7可知，為了使制得的WPC彎曲強度較高，EPDM的加入量不宜太大，一般EPDM加入量約為10%較合適.

圖7 EPDM加入量對WPC彎曲模量的影響Fig.7 Effect of EPDM content on flexural modulus of WPC

3 結 論

1）隨著塑料基體中PP質量分數的增加，WPC的彎曲模量增加，但彎曲強度和沖擊強度均出現先減小后增大的現象；

2）隨著塑料基體中EPDM加入量增加，WPC的沖擊強度增加，但其拉伸強度和彎曲模量均有所降低.

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Study on the Mechanical Properties of Wood－Plastic Composite Based on PP/PE

CAI Pei－xin，LüQun，LIANG Meng－jie，ZHANG Qing－feng

（College of Material，Chemistry and Chemical Engineering，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310036，China）

Wood－plastic composite（WPC）based on PP/PE were prepared by extrusion with PP and HDPE blends as plastic matrix，EPDM as toughening agents，wood flour as filler.The paper researched on the effects of PP/PE and EPDM content on the mechanical properties of WPC.The results showed that with PP content increased in the plastic matrix，the flexural modulus of WPC increased，but the flexural strength and impact strength were decreased first and then increased.With EPDM content increased in the plastic matrix，the impact strength of WPC increased，the flexural strength and flexural modulus decreased.

wood－plastic composite；polypropylene；polyethylene；mechanical property

TQ325.1

A

1674－232X（2012）01－0017－05

11.3969/j.issn.1674－232X.2012.01.004

2011－07－25

浙江省重大科技專門項目（優(yōu)先主題）（2008C13G2150004）.

呂 群（1953—），男，教授，主要從事高分子材料研究.E－mail：luqun＠263.net