徐冬梅，劉太闖，張琳，王雪，曾長春

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州221140；2.徐州同創(chuàng)塑業(yè)有限公司，江蘇 徐州221006）

聚合物基木塑復(fù)合材料（Wood Plastic Composites，WPC）是指用經(jīng)過預(yù)處理的植物纖維或粉末（如木、竹、花生殼、椰子殼、亞麻、秸稈等）為主要組分，與高分子樹脂基體復(fù)合而成的一種新型材料.這類材料具有較好的耐候性、耐微生物性、可回收、可生物降解、環(huán)境友好等優(yōu)點，大量應(yīng)用于園林景觀、鋪板、室內(nèi)裝修、家具、包裝等領(lǐng)域，市場需求逐年增長［1］.PP基木塑復(fù)合材料就是其中之一.

木粉的主要成分是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素.這些以木質(zhì)纖維為主要成分的木粉與極性較小或非極性的塑料（如PVC、PP、HDPE）組成的復(fù)合體系面臨著界面的融合、加工流動性以及熱穩(wěn)定性等系列問題［2］.木粉中的木質(zhì)素和纖維素帶有強極性的羥基等官能團，使其表面表現(xiàn)出很強的極性，與非極性的PP相容性不好［3］.在填充大量木粉后WPC的力學(xué)性能迅速下降.為了制得性能優(yōu)良的PP基木塑復(fù)合料，對木粉采用了物理和化學(xué)預(yù)處理［4］.如為改善木粉和樹脂界面的結(jié)合，自制了接枝共聚物PP－g－MA H.

轉(zhuǎn)矩流變儀用于測量高分子材料在塑化過程中由剪切作用引起的阻力，即與粘度相關(guān)的扭矩（轉(zhuǎn)矩）來表征合成樹脂產(chǎn)品的流動特性［5］.筆者用轉(zhuǎn)矩流變儀，研究木粉和硬脂酸用量對PP基木塑復(fù)合材料加工流動性的影響.并對復(fù)合體系的基本力學(xué)性能進行了分析.

1 試驗部分

1.1 原材料

PP，T30S，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為Q／SHPRD 253—2009，中國石化青島煉油化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)；楊木粉（80目），邳州板材廠生產(chǎn)；丙酮，上?；嚳萍加邢薰旧a(chǎn)；順丁烯二酸酐，天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；偶聯(lián)劑KH550，揚州天揚助劑有限公司生產(chǎn)；白油，市售；TPP，市售；DCP，市售；硬脂酸，市售.

1.2 儀器及設(shè)備

真空干燥箱，DZF－6210，上海賀德實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)；XSS－300轉(zhuǎn)矩流變儀，上海科創(chuàng)橡塑機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)；同向雙螺桿配混擠出機，CTE－35型，科倍隆科亞（南京）機械有限公司生產(chǎn)；高速混合機，SHR－50型，張家港市億利機械有限公司生產(chǎn)；真空干燥箱，DEF－6210，上海貿(mào)德實驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)；注塑機，771－130F2V型 ，東華機械制造有限公司生產(chǎn)；GJ－7045－M沖擊試驗機，高鐵檢測儀器有限公司生產(chǎn)；電子萬能試驗機AI－7000，高鐵檢測儀器有限公司生產(chǎn).

1.3 試驗工藝

1.3.1 相容劑的制備 將TPP，MAH，DCP溶于少量丙酮中制得助劑的丙酮溶液，將該溶液加入稱好的PP中不斷攪拌均勻使丙酮完全揮發(fā)，將配好的物料加入雙螺桿擠出機中進行擠出造粒，（擠出機溫度控制在150／160／170／180／190／195／200℃，主機頻率5 Hz，喂料頻率3.5 Hz），將制得的PP－g－MAH在80℃烘箱中干燥6 h備用.

1.3.2 復(fù)合材料流變性的測試 流程：木粉篩分（80目）→烘干→計量→表面處理→混合→轉(zhuǎn)矩流變儀.工藝：1）木粉的干燥.120℃，3 h；2）表面處理.將偶聯(lián)劑K H550與無水乙醇均勻混合后，噴灑在已經(jīng)稱好的木粉里，攪拌5～8 min，放置在室溫下1～2 h讓無水乙醇盡量揮發(fā)完；3）轉(zhuǎn)矩流變儀.在200℃的溫度和25 r／min的轉(zhuǎn)速下用轉(zhuǎn)矩流變儀測PP基木塑復(fù)合體系的加工性能，記錄平衡轉(zhuǎn)矩、平衡溫度及塑化時間.

1.3.3 試樣制備 在高速混合機中混合均勻，然后將混好的物料加入到擠出機中擠出造粒（擠出機溫度控制在150／160／170／180／190／195／200℃，主機頻率5 Hz，喂料頻率3.5 Hz，熔體溫度控制在190～200℃），將得到的粒料放在70℃烘箱中干燥6 h，最后在注射機中制得標(biāo)準(zhǔn)試樣（注射溫度為180～210℃）.

1.3.4 性能測試 試樣按照GB／T 1843－2008（擺錘2.75 J）、GB／T 1040－2006（速度50 r／min）測定WPC的沖擊強度和拉伸強度.

2 結(jié)果與討論

2.1 木粉的用量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

木粉的用量對木塑復(fù)合材料沖擊性能的影響如圖1所示，木塑復(fù)合材料的沖擊性能隨著木粉量的增加而下降.因為，復(fù)合體系中作為分散相的木粉不能終止裂紋或產(chǎn)生銀紋吸收沖擊能，而使基體中產(chǎn)生應(yīng)力集中，體系的脆性增加，沖擊性能下降.隨著木粉填充量的增加，填料所占據(jù)的體積比例增大，同時木粉分散性變差，顆粒堆砌嚴(yán)重，產(chǎn)生了更多的應(yīng)力集中點，同時嚴(yán)重地影響了主要受力的PP基體的連續(xù)性，另外，纖維素分子鏈段本身不易發(fā)生運動，當(dāng)受到外力作用時，不能依靠改變構(gòu)象來吸收沖擊能量.因此隨著木粉含量的增加，復(fù)合材料的韌性降低，沖擊強度下降［6］.

圖1 木粉含量對復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.1 Influence ofwood powder content on impact property of composite

木粉的用量對木塑復(fù)合材料拉伸性能的影響如圖2所示，木塑復(fù)合材料的拉伸強度隨著木粉量的增加先升高后降低.

圖2 木粉含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.2 Influence of wood powder content on tensile property of composite

其原因可能是少量的（30份以內(nèi)）木粉作為填料具有一定的增強作用，木粉的纖維狀結(jié)構(gòu)具有增強作用.隨著木粉用量的增加，纖維含量也增加，纖維素中的羥基容易形成分子內(nèi)及分子間氫鍵，使纖維在體系中分散不均；另一方面，由于木粉密度較小，隨著木粉填充量的增加，容易出現(xiàn)木纖維團聚現(xiàn)象，使熔體流動性降低，成型困難，聚集的顆粒引起材料的應(yīng)力集中及產(chǎn)生缺陷的幾率增大，降低了樹脂基體產(chǎn)生塑性形變的能力［6］.從而導(dǎo)致拉伸強度下降.

2.2 木粉的用量對木塑復(fù)合材料加工性能的影響

木粉的用量對復(fù)合材料加工性能的影響如圖3、圖4所示.

圖3 不同木粉用量下復(fù)合材料的最大扭矩和平衡扭矩Fig.3 Maxi mum torque and balance torque of composite in different wood powder dosage

從圖3，圖4中可以看出，隨著木粉含量的增加，復(fù)合材料的最大轉(zhuǎn)矩和平衡轉(zhuǎn)矩增大，加工流動性變差；復(fù)合材料的平衡時間增加，塑化時間增長.因為木粉用量較少時，木粉很容易分散在基體中，所以對體系的平衡扭矩影響不大.當(dāng)繼續(xù)增加木粉用量，木粉本身流動性很差，而且它是一種極細(xì)的剛性粒子，均勻分散在樹脂中，嚴(yán)重阻礙了鏈斷的運動，大大增加了熔體的粘度，致使材料的流動性下降.

圖4 不同木粉用量下復(fù)合材料的平衡時間Fig.4 Equilibriu mtime of composite in different wood powder dosage

2.3 硬脂酸的用量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

硬脂酸的用量對木塑復(fù)合材料沖擊性能影響見圖5所示，木塑復(fù)合材料的沖擊強度隨著硬脂酸量的增加先下降后升高.

圖5 硬脂酸的用量對復(fù)合材料沖擊性能的影響Fig.5 Influence of stearic acid content on impact property of composite

硬脂酸用量對復(fù)合材料拉伸性能的影響見圖6所示：拉伸強度隨著硬脂酸量的增加先升高后下降.

圖6 硬脂酸的含量對復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig.6 Influence of stearic acid content on tensile property of composite

原因可能是硬脂酸在木粉表面引入長脂肪鏈，降低了木粉的極性，有利于木粉在基體樹脂PP中分散，并可通過長脂肪鏈與基體樹脂之間產(chǎn)生的纏結(jié)作用，提高木粉與樹脂間的界面作用力.導(dǎo)致復(fù)合材料的拉伸和沖擊強度增加；隨著硬脂酸的量增加到有剩余的硬脂酸殘留在木粉表面，木粉與PP的界面張力增加，導(dǎo)致力學(xué)性能下降［7］.

2.4 硬脂酸的用量對復(fù)合材料加工性能的影響

硬脂酸用量對復(fù)合材料加工性能的影響如圖7，圖8所示：隨著硬脂酸量的增加，復(fù)合材料的最大轉(zhuǎn)矩、平衡轉(zhuǎn)矩和平衡時間均降低，加工性能變好，流動性變好，塑化時間變短，硬脂酸在1.5份時最好.

圖7 不同硬脂酸用量的復(fù)合材料的最大扭矩和平衡扭矩Fig.7 Maxi mu m torque and balance tor que of composite in different stearic acid dosage

圖8 不同硬脂酸用量的復(fù)合材料的平衡時間Fig.8 Equilibrium time of composite composite in different stearic acid dosage

原因可能是硬脂酸作為潤滑劑可以加速熔融，降低粘度，改善流動性，改善物料的加工性能.樹脂塑化前，硬脂酸的極性與木粉的極性相近，硬脂酸能較容易的插入木粉，木粉的極性結(jié)點與硬脂酸的極性部分的親和力較強，據(jù)此，可以對木粉進行有效的處理.經(jīng)硬脂酸處理了的木粉界面張力降低［7］；樹脂塑化后內(nèi)潤滑劑的極性基團減弱了熔體內(nèi)分子間及分子鏈段之間的相互作用力，使PP樹脂熔體易于流動，降低了塑化扭矩，降低了熔體黏度，起到內(nèi)潤滑的作用.另外硬脂酸能夠防止木粉的團聚，促進木粉混入基體中和塑料分子鏈的解纏結(jié)，提高熔體的流動性.

3 結(jié)論

1）隨著木粉用量增加，復(fù)合材料的沖擊性能逐漸下降，拉伸性能先上升后下降.

2）木粉含量的增加，使得復(fù)合材料的最大轉(zhuǎn)矩減小，加工性能變好，復(fù)合材料的平衡轉(zhuǎn)矩增大，加工流動性變差；復(fù)合材料的平衡時間增加，塑化時間增長.

3）隨硬脂酸用量增加，復(fù)合材料的沖擊性能先下降后上升，拉伸性能先上升后下降.

4）硬脂酸量的增加，使復(fù)合材料的最大轉(zhuǎn)矩、平衡轉(zhuǎn)矩和平衡時間均降低，加工性能變好，流動性變好，塑化時間變短，硬脂酸最佳用量為1.5份左右.

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