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)

[1]徐敏.我國(guó)木塑地板的市場(chǎng)潛力研究[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014.

[2]張正紅.PVC木塑復(fù)合材料配方及性能研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

[3]胡曉紅.EVA含量對(duì)木塑復(fù)合材料物理和老化性能的影響研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2013.

[4]李影，劉建中，張洋，等.PVC基木塑復(fù)合材料抗老化性能研究[J].工程塑料應(yīng)用，2014（06）：79-82.

[5]胡晗，吳章康，王云，等.3種木塑復(fù)合材料的耐老化性能比較[J].浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（01）：117-121.

[6]侯人鸞，何春霞，薛嬌，等.麥秸稈粉/PP木塑復(fù)合材料紫外線加速老化性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2013（05）：86-93.

[7]張正紅.PVC木塑復(fù)合材料配方及性能研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2009.