董二瑩，任元林，金銀山，劉玉桂

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

木塑復(fù)合材料（WPC）是以木質(zhì)材料和塑料為主要原料，采用注入單體聚合法、非氣流輔裝成型、壓制成型、連續(xù)擠出成型而制成的高性能、高附加值的綠色環(huán)保型復(fù)合材料[1].木塑復(fù)合材料所用的木質(zhì)材料既可以是木屑、刨花、廢棄的木纖維，也可以是植物秸稈等，具有原料來源廣泛、成本低廉的特點(diǎn)[2-3].木塑復(fù)合材料可回收循環(huán)利用而減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如耐用、外觀與木質(zhì)材料相似、比塑料的硬度高；尺寸穩(wěn)定性好，不會(huì)產(chǎn)生裂縫、翹曲、無(wú)木材斜紋；易加工成型，有類似木材的二次加工性，可切割、粘接或用連接件連接固定；不怕蟲蛀、耐老化、耐腐蝕、吸水率和維護(hù)費(fèi)用低等[4].因而在北京奧運(yùn)場(chǎng)館、奧運(yùn)村會(huì)所、奧運(yùn)村掛墻板、奧林匹克森林公園、上海世博會(huì)中國(guó)館戶外棧橋、廣州亞運(yùn)會(huì)建設(shè)中得以廣泛應(yīng)用.木塑復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)塑料的回收利用，并能有效緩解因人為濫砍濫伐造成的木材資源緊缺的形勢(shì)，符合資源的重復(fù)利用及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，市場(chǎng)前景廣闊.國(guó)外早在第二次世界大戰(zhàn)期間就已出現(xiàn)木塑復(fù)合材料[5-8]，且木塑復(fù)合材料于1964年被譽(yù)為當(dāng)年的世界十大科學(xué)成就之一.國(guó)內(nèi)木塑復(fù)合材料雖然起步晚于國(guó)外，但近年來國(guó)內(nèi)在木塑復(fù)合材料生產(chǎn)工藝[9]、原料的含量與配比[10]、助劑[11]、阻燃性[12]等方面進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展和豐碩成果，研究范圍也不斷擴(kuò)展.木塑復(fù)合材料所用的木質(zhì)材料主要是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及其他少量成分組成的天然材料，而纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的主要成分中含有大量的極性羥基和酚羥基官能團(tuán)，因此具有很強(qiáng)的化學(xué)極性.而采用的塑料主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）以及聚苯乙烯（PS）等非極性材料.因此，在木塑復(fù)合材料的復(fù)合過程中，需要解決的最大問題是解決極性木質(zhì)材料和非極性塑料的相容性.因此，木塑復(fù)合材料界面改性是木塑復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn).本文重點(diǎn)闡述了改善木塑復(fù)合材料界面相容性的方法并對(duì)木塑復(fù)合材料的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

1 添加相容劑界面改性

相容劑分子是一類雙親分子，既可以與非極性的聚烯烴高聚物有較好的相容性，又可以與極性的木質(zhì)原料分子形成氫鍵或形成偶極－偶極作用力等，從而使木質(zhì)分子和聚烯烴高聚物更好地結(jié)合，改善木纖維在聚烯烴樹脂中的分散性，使兩相界面狀態(tài)改善，界面能減小，界面強(qiáng)度增大，從而改善木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能.常用的相容劑有:乙烯－丙烯酸酯樹脂、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯樹脂、馬來酸酐接枝聚烯烴等.

2004年，Li等[13]用馬來酸酐接枝聚乙烯（MPE）相容劑對(duì)聚乙烯/木纖維復(fù)合材料進(jìn)行改性，結(jié)果表明，MPE的加入使改性后復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性均比未改性前顯著提高.2011年，王寶云等[14]考察了以氯化聚乙烯（CPE）、馬來酸酐接枝聚乙烯（MPE）、聚丙烯酸酯為改性劑對(duì)PVC/PE共混體系及其木塑復(fù)合材料力學(xué)性能、加工性能及動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響，結(jié)果表明，CPE能夠明顯改善PVC/PE體系的相容性，力學(xué)性能顯著提高；MPE的加入則能夠改善木塑復(fù)合材料界面性能，材料綜合性能大幅提高；聚丙烯酸酯能夠明顯改善PVC/PE基木塑復(fù)合材料的加工性能，并使復(fù)合材料儲(chǔ)能模量增大，但是CPE、MPE使復(fù)合材料加工性能下降.

2 添加偶聯(lián)劑界面改性

偶聯(lián)劑可使木質(zhì)原料與塑料基體之間形成一個(gè)界面層，界面層能傳遞應(yīng)力，從而增強(qiáng)了木質(zhì)原料與樹脂之間的粘合強(qiáng)度，提高了復(fù)合材料的性能.常用的偶聯(lián)劑有:硅烷偶聯(lián)劑、鈦酸酯偶聯(lián)劑、鋁酸酯偶聯(lián)劑等.

2008年，李興艷等[15]研究發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑550與硅烷偶聯(lián)劑560相比，前者對(duì)木塑復(fù)合材料性能改善程度要大于后者，并且二者對(duì)木塑復(fù)合材料性能的改善又明顯優(yōu)于鋁酸酯偶聯(lián)劑.2006年，Bengtsson等[16]研究了硅烷偶聯(lián)劑及其濃度對(duì)WPC性能的影響，結(jié)果表明:隨著硅烷偶聯(lián)劑濃度的增加，WPC的表面越來越粗糙；經(jīng)硅烷處理的復(fù)合材料的韌性和沖擊強(qiáng)度較未加硅烷偶聯(lián)劑的復(fù)合材料有所提高，但是其彎曲模量有所下降；當(dāng)硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%時(shí)，木塑復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后隨其含量增加，彎曲強(qiáng)度反而下降.

3 原料表面的極性化或非極性化改性

通過物理或化學(xué)方法對(duì)木質(zhì)原料的表面進(jìn)行非極性化改性，或?qū)λ芰线M(jìn)行極性化改性，從而減小兩主體材料間的極性差，以增加界面相容性.常用的方法有?；幚矸ê徒又簿鄯ǖ?

3.1 ?；幚?/h3>

酰化處理可采用酸酐、酰氯等處理木材，使木質(zhì)原料中的木質(zhì)素、纖維素、半纖維素中的部分羥基與?；磻?yīng)生成酯，強(qiáng)極性羥基被弱極性的酯基取代，使木質(zhì)纖維表面極性降低，從而使得木質(zhì)材料與塑料的相容性增強(qiáng).

1999年，秦特夫等[17]用乙酸酐對(duì)不同木纖維及其主要成分進(jìn)行了?；幚恚Y(jié)果表明:木質(zhì)素、纖維素和半纖維素中都有新的弱極性酯基官能團(tuán)生成，極性羥基官能團(tuán)數(shù)量減少；木質(zhì)素?；潭却笥诶w維素；半纖維素在?；^程中結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生分解.光電子能譜表明，雖然不同木纖維表面化學(xué)特征有很大差別，但是?；椒山档湍纠w維的極性.

3.2 接枝共聚

在催化劑的作用下，丙烯腈、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯、馬來酸酐等單體產(chǎn)生游離自由基與高聚物、木質(zhì)纖維原料表面進(jìn)行接枝共聚，促進(jìn)木質(zhì)材料/塑料界面相容性的改善.

2010年，高華等[18]用馬來酸酐對(duì)PP/PE共混物接枝改性，然后和木材復(fù)合制備木塑復(fù)合材料，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度均大幅度提高，并且微觀相形態(tài)分析表明，通過接枝改性不但改善了PP/PE共混體系的相容性，而且也顯著改善了其與木纖維間的界面情況，復(fù)合材料力學(xué)性能提高.

2009年，李永峰等[19]用甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）改性木塑復(fù)合材料，GMA借助其自身的環(huán)氧基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了與木材原料中羥基的化學(xué)鍵合，通過自身的雙鍵實(shí)現(xiàn)了與單體苯乙烯的共聚合，使高聚物與木材較充分地實(shí)現(xiàn)了化學(xué)鍵合；高聚物以立體交聯(lián)的形式填充于木材細(xì)胞腔中，與細(xì)胞壁緊密接觸，無(wú)明顯縫隙，復(fù)合效果良好.GMA的加入，使改性木塑復(fù)合材料的靜曲強(qiáng)度（MOR）、彈性模量（MOE）、順紋抗壓強(qiáng)度和硬度較未改性前分別提高45%、52%、71%和141%；尺寸穩(wěn)定性較未改性前提高3倍；耐腐性較未改性前提高8.56倍.

3.3 熱處理法

在加熱條件下除去木質(zhì)材料中極性較大的提取物，從而降低木質(zhì)材料的極性，使得木質(zhì)材料和非極性的高聚物更好的結(jié)合，最終達(dá)到提高木塑復(fù)合材料機(jī)械性能的效果.

2009 年，Shebani等[20]通過熱水提取法（HW）、乙醇/環(huán)己烷提取法（E/C）、以及這2種方法結(jié)合的方式從4種木纖維中去除部分提取物后與線性低密聚乙烯（LLDPE）混合制備木塑復(fù)合材料.結(jié)果表明:用HW提取法處理后的木纖維所制備的WPC熱穩(wěn)定性優(yōu)于用E/C提取法處理的木纖維制備的WPC，但是，2種提取法結(jié)合處理后的木纖維與LLDPE混合制備的WPC熱穩(wěn)定性更佳.

3.4 表面覆蓋

在木質(zhì)材料表面覆蓋非極性的物質(zhì)降低其極性或在高聚物的表面覆蓋極性物質(zhì)降低其非極性，從而提高木質(zhì)材料和塑料高聚物的相容性使WPC的性能得到有效改善.

2011年，Zhao等[21]用甲基丙烯酸甲酯（MMA）對(duì)稻草纖維（RSF）進(jìn)行預(yù)處理，F(xiàn)TIR和SEM測(cè)試顯示:在稻草纖維的表面形成了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）覆蓋層，然后再和聚乳酸（PLA）復(fù)合制備復(fù)合材料.結(jié)果表明:纖維經(jīng)過處理后制備的復(fù)合材料較未經(jīng)處理的復(fù)合材料彈性強(qiáng)度增加；SEM證明預(yù)處理改善了稻草纖維和聚乳酸之間的相容性；同時(shí)TGA顯示經(jīng)過預(yù)處理的復(fù)合材料較未經(jīng)處理的復(fù)合材料有較好的熱穩(wěn)定性.

3.5 堿處理

對(duì)木質(zhì)材料進(jìn)行堿處理，堿處理可以減少纖維素纖維中親水性羥基和雜質(zhì)，從而改善木質(zhì)材料與塑料高聚物之間的粘附性和界面相容性，提高木塑復(fù)合材料的機(jī)械性能.

2012年，Islam等[22]研究了經(jīng)過堿處理的木纖維對(duì)WPC機(jī)械性能和形態(tài)的影響.用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaOH溶液對(duì)木纖維進(jìn)行預(yù)處理，減少纖維素纖維中的親水性的羥基和部分雜質(zhì)，然后和甲基丙烯酸甲酯（MMA）/苯乙烯（ST）（體積比為 50∶50）單體共混制備復(fù)合材料.機(jī)械性能測(cè)試及形態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示:經(jīng)過預(yù)處理的WPC較未經(jīng)處理的WPC具有更好的機(jī)械性能和形態(tài)特征.

4 制備納米木塑復(fù)合材料

通過加入納米試劑或原料制備納米復(fù)合材料，納米材料可以更好地分散在木塑復(fù)合材料中，通過改變極性木質(zhì)材料和非極性高聚物之間的界面關(guān)系最終達(dá)到提高木塑復(fù)合材料機(jī)械性能的效果.

2010年，Deka等[23]將高密聚乙烯（HDPE）、低密聚乙烯（LDPE）、PP、PVC 在二甲苯/四氫呋喃溶劑中溶解后，再和木粉、納米粘土、相容劑混合制備納米木塑復(fù)合材料，結(jié)果表明:納米粘土的加入可以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，改善木塑復(fù)合材料的硬度和吸水性，并且當(dāng)納米粘土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，木塑復(fù)合材料的機(jī)械性能最好.

同時(shí)，2011年，Deka等[24]研究納米粘土/TiO2對(duì)納米木塑復(fù)合材料性能的影響，通過溶液共混法將HDPE、LDPE、PP、PVC 與相容劑、木粉、納米粘土/TiO2混合制備納米木塑復(fù)合材料，結(jié)果表明:當(dāng)納米粘土和TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為3%時(shí)，WPC的熱穩(wěn)定性有所提高，并且納米粘土/TiO2使WPC的機(jī)械性能、抗紫外線性以及阻燃性均得到提高，吸水率降低.

雖然木塑復(fù)合材料的界面改性方法種類繁多，但是在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中仍然存在許多不足，如增容效果低、添加劑量大、添加劑價(jià)格高、改性過程復(fù)雜等.因此，開發(fā)新型高效的界面添加劑，設(shè)計(jì)一種過程簡(jiǎn)單、成本低廉的界面改性方法，是今后解決WPC界面問題的研究方向.

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來針對(duì)木塑復(fù)合材料的研究越來越多，界面改性也已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn).雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在界面改性方面取得了豐碩成果，但也出現(xiàn)了研究方向上的“瓶頸”，暴露出了許多問題，如添加劑的多樣性、添加劑量大、生產(chǎn)成本過高、工藝復(fù)雜、影響材料性能和外觀等.因此要解決木塑復(fù)合材料存在的這些問題，開發(fā)具有相容劑與偶聯(lián)劑綜合特性的“相容—偶聯(lián)”新型添加劑，改變木質(zhì)材料/高聚物之間的界面性能，達(dá)到改善木塑復(fù)合材料性能的效果；將木質(zhì)材料加工成納米級(jí)的材料后再與高聚物混合制備復(fù)合材料；采用非極性的易與塑料高聚物相容的增強(qiáng)基制備復(fù)合材料；采用纖維或織物等連接性較完整的物質(zhì)增強(qiáng)樹脂制備復(fù)合材料；通過一定的助劑將纖維素纖維直接接枝到塑料高聚物的表面后熔融制備復(fù)合材料.所有這些問題的解決不是一種新型添加劑或一套新型的加工設(shè)備就可以解決的，我們需要運(yùn)用綜合、統(tǒng)籌的方法對(duì)木塑復(fù)合材料進(jìn)行改性，提高產(chǎn)品的性能，實(shí)現(xiàn)高性能、高附加值、綠色環(huán)保的木塑復(fù)合材料的工業(yè)化生產(chǎn).

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