摘 要:木塑復(fù)合材料是以木本等可再生資源為主要原材料,并同一定比例的熱塑性聚合物混合加工成型而得的綠色環(huán)保復(fù)合材料。文章介紹了木塑復(fù)合材料老化作用的因素,并對(duì)其老化性能的表征方法進(jìn)行概述。
關(guān)鍵詞:木塑復(fù)合材料;老化性能;木本
1 背景
木塑復(fù)合材料(wood-plastic composites,簡(jiǎn)稱WPC)是以木本等植物類可再生生物資源為主要原材料,同時(shí)加入了一定比例的熱塑性聚合物,并經(jīng)過(guò)不同加工成型手段制備出的一種可循環(huán)利用的新型材料[1]。而木塑復(fù)合材料的使用壽命有限,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),材料中的組分及結(jié)構(gòu)都將會(huì)緩慢發(fā)生變化,產(chǎn)生這種變化的主要原因是由于材料的基體已發(fā)生變異,這些因素都將導(dǎo)致復(fù)合材料在宏觀性能上的逐漸降低,最終導(dǎo)致木塑復(fù)合材料失去使用價(jià)值。因此老化性能研究是必不可少的,而老化性能的表征手段是評(píng)定木塑復(fù)合材料老化性能的關(guān)鍵所在,其在復(fù)合材料的研究中有著不可或缺的重要性[2]。
2 木塑復(fù)合材料老化作用的因素
木塑復(fù)合材料發(fā)生老化作用主要由氧、水、濕氣、光、熱、機(jī)械作用力、真菌、白蟻等外在的因素促使產(chǎn)生。光、濕氣及氧氣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品褪色;水會(huì)導(dǎo)致木塑復(fù)合材料力學(xué)性能下降;真菌及白蟻的存在會(huì)導(dǎo)致材料的表面美觀及各方面性能大大下降,總之各種外在因素將最后導(dǎo)致其材料內(nèi)部分子間的立體規(guī)整性、物理形態(tài)、高分子化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量等發(fā)生一系列變化。
3 木塑復(fù)合材料老化性能的表征手段
3.1 材料老化過(guò)程中的顏色變化
老化過(guò)程中的顏色變化可以通過(guò)較為直觀的目測(cè)法,也可以通過(guò)分光光度計(jì)來(lái)進(jìn)行色變測(cè)試,具體采用L,a,b表色系統(tǒng)來(lái)定量的表征其顏色變化規(guī)律。計(jì)算公式為ΔE=,其中△E表示色差即褪色程度,L表示明度,a為紅綠指數(shù),b為黃藍(lán)指數(shù)[3]。另外還可通過(guò)色差儀對(duì)其顏色變化進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。
3.2 材料老化過(guò)程中的表面形貌觀察
表面形貌觀察同樣可以通過(guò)目測(cè)法觀察樣品表面有無(wú)龜裂、粉化等現(xiàn)象,另外還可通過(guò)SEM(掃描電子顯微鏡)以及SPM(掃描探針顯微鏡)對(duì)材料的表面(粗糙度、波紋度和表面形狀誤差)進(jìn)行微觀觀測(cè),因?yàn)槟舅軓?fù)合材料會(huì)在外在因素的作用發(fā)生老化現(xiàn)象,從而導(dǎo)致木塑材料的表層破壞且伴隨著脫落的木質(zhì)纖維,而脫落出的木質(zhì)纖維也會(huì)發(fā)生降解,促使材料表面出現(xiàn)粉化現(xiàn)象,甚至伴隨著微生物的生長(zhǎng),可用于定性判定材料是否發(fā)生老化現(xiàn)象及其發(fā)生老化作用的程度。
李影等[4]采用掃描電鏡對(duì)老化前后的試樣進(jìn)行觀察,結(jié)果表明材料老化后的表面致密層被破壞,表面變得疏松且無(wú)光澤,有很多孔洞或凹坑,纖維暴露,褪色表面有細(xì)微裂紋。
3.3 材料老化過(guò)程中的分子結(jié)構(gòu)變化
材料老化過(guò)程中伴隨著分子鏈的斷裂,會(huì)導(dǎo)致分子量發(fā)生變化,同時(shí)由于老化反應(yīng)的進(jìn)行,復(fù)合材料晶區(qū)以及非晶區(qū)的含量會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)也將伴隨著木塑復(fù)合材料分解溫度的變化,可通過(guò)熱分析DTA(差熱分析法)及DSC(差示掃描量熱法)進(jìn)行測(cè)試,另外由于分子鏈的變化同樣會(huì)導(dǎo)致分子鏈內(nèi)部的官能團(tuán)發(fā)生變化,可通過(guò)FT-IR(傅里葉變換紅外光譜)、UV-Vis(紫外可見(jiàn)吸收光譜)、Raman(拉曼光譜)、NMR(核磁共振)以及MS(質(zhì)譜)等進(jìn)行測(cè)試。
胡晗等[5]采用稻殼、橡膠木鋸末以及橡膠籽殼三種木質(zhì)纖維分別與回收聚乙烯混合制備木塑復(fù)合材料并在熒光紫外燈下進(jìn)行老化測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種材料結(jié)晶度整體趨勢(shì)都有所增加,結(jié)晶度變化越大說(shuō)明材料的光氧化程度越大。
3.4 材料老化過(guò)程中化學(xué)成分和價(jià)鍵的變化
材料老化后,表面物質(zhì)會(huì)發(fā)生很大變化,主要通過(guò)XPS(X射線光電子能譜分析)對(duì)其進(jìn)行表征,O(氧)/C(碳)用來(lái)表示樣品表面的氧化程度,隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng),氧化程度會(huì)增大,O/C數(shù)值也會(huì)隨之增大,另外C元素的結(jié)合方式及狀態(tài)在很大程度上決定了木塑材料組分的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),因此通過(guò)C元素的變化也可以對(duì)老化程度進(jìn)行評(píng)定。
杜華利用XPS分析紫外老化前后純高密度聚乙烯和稻殼粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料樣品表面碳和氧元素變化。XPS數(shù)據(jù)表明稻殼粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料樣品的O/C比率比純高密度聚乙烯樣品的略高,這主要是由稻殼粉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中的羥基和羰基引起的。經(jīng)紫外老化2000h后,純高密度聚乙烯和稻殼粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料樣品表面的O/C比率均增加,樣品表面氧原子濃度增加,說(shuō)明所有樣品表面均發(fā)生了氧化。
3.5 材料老化過(guò)程中力學(xué)性能的變化
木塑材料在老化過(guò)程中由于聚合物鏈上的易在特定環(huán)境下發(fā)生光氧化反應(yīng)的元素或者基團(tuán)的反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致木塑材料發(fā)生降解,從而促使材料表面產(chǎn)生龜裂、內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散等現(xiàn)象,同時(shí)由于木塑材料中木本纖維的存在(因含有大量羥基),將會(huì)進(jìn)一步加速木塑復(fù)合材料的鏈引發(fā)速率,進(jìn)而加速了木塑分子鏈的斷裂[6],使材料的力學(xué)性能進(jìn)一步下降,因而從材料力學(xué)性能的變化也可以定性對(duì)老化程度進(jìn)行判定。
張正紅[7]在研究木塑復(fù)合材料的老化試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
添加ABS的復(fù)合材料體系經(jīng)過(guò)350小時(shí)的紫外光加速老化后其沖擊強(qiáng)度下降39%,添加CPE復(fù)合材料體系沖擊強(qiáng)度下降27%,添加ACR的復(fù)合材料體系沖擊強(qiáng)度下降21%。由此可見(jiàn),紫外光加速老化條件下,ACR復(fù)合體系的耐沖擊性能最好,耐沖擊保持率最高,其次是CPE體系,ABS體系的耐沖擊性能最差。這與體系氧化降解反應(yīng)程度有關(guān),紫外光老化條件下,氧化降解程度越低,由氧化降解反應(yīng)引起的應(yīng)力集中點(diǎn)較少,所以其耐沖擊性能較好,因此從力學(xué)性能的變化可以得到材料的老化程度。
3.6 材料老化過(guò)程中接觸角的變化
同時(shí)可以通過(guò)接觸角測(cè)試對(duì)其材料中木粉含量的變化進(jìn)行判定,進(jìn)而推斷其老化程度,因?yàn)榻佑|角測(cè)試是通過(guò)對(duì)滴加在材料表面的水滴的接觸角大小進(jìn)行測(cè)試,主要用于測(cè)量液體對(duì)材料的接觸角,即液體對(duì)材料的浸潤(rùn)性,眾所周知,木粉是親水性物質(zhì),而聚合物為疏水性物質(zhì),若老化時(shí)間越長(zhǎng),裸露在材料表面的木纖維將會(huì)越多,接觸角將會(huì)隨之變小,因而可以通過(guò)接觸角測(cè)試定性判別材料老化程度。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著近年來(lái)木塑行業(yè)的發(fā)展及木塑產(chǎn)品的廣泛使用,其產(chǎn)品抗老化性能成為木塑材料重要性能之一,采用現(xiàn)代化的表征方法對(duì)其老化程度進(jìn)行測(cè)試可以促進(jìn)木塑材料的研究,進(jìn)而有效地?cái)U(kuò)展其應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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