李正印，王偉宏

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱150040)

高木材纖維含量聚丙烯基復(fù)合材料的制備及其性能

李正印，王偉宏*

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱150040)

采用模壓和熱壓兩種成型方法制備高木材纖維含量的聚丙烯(PP)基木塑復(fù)合材料，研究不同工藝方法和木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50%～90%)對(duì)木塑復(fù)合材料吸水性、接觸角、表面自由能以及力學(xué)性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料的層間斷面形貌進(jìn)行觀察。結(jié)果表明，木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高使復(fù)合材料表面潤(rùn)濕性增強(qiáng)，力學(xué)性能有所下降，儲(chǔ)能模量降低，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高。當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%時(shí)，復(fù)合材料仍可保持較好的彈性模量和沖擊韌性；24 h吸水厚度膨脹率小于15%，可在潮濕環(huán)境下使用；表面自由能極性分量與中密度纖維板相當(dāng)。掃描電鏡結(jié)果表明，木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加可使復(fù)合材料的界面結(jié)合減弱。采用模壓工藝制備的復(fù)合板材密度較大，抗彎性能較好；熱壓工藝所制復(fù)合板材的潤(rùn)濕性和沖擊強(qiáng)度均優(yōu)于模壓工藝，在貼面裝飾方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。

聚丙烯；木材纖維；吸水性；力學(xué)性能；表面性能

木塑復(fù)合材料(wood-plastic composite, WPC)是以木質(zhì)纖維和熱塑性塑料為原料，經(jīng)熱加工制備而成的復(fù)合材料，因其兼具木材和塑料的雙重性能且易于加工[1-2]，被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)中的各個(gè)領(lǐng)域，如托盤類包裝制品，樓梯踏板、欄桿、戶外地板、模板等建材制品，以及汽車內(nèi)裝飾、管材等其他產(chǎn)品[3-4]。木材纖維(WF)作為木塑復(fù)合材料的增強(qiáng)相，其含量對(duì)木塑復(fù)合材料的加工工藝和產(chǎn)品性能都有較大影響，并能決定木塑復(fù)合材料的使用環(huán)境[5-6]。目前，木塑復(fù)合材料多采用擠出成型[7-10]，木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在60%左右。擠出成型時(shí)木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能較好，彎曲強(qiáng)度大于40 MPa，沖擊強(qiáng)度大于7 kJ·m2，但是材料的表面自由能較低，在30 mJ/m2左右，不利于板材的貼面裝飾。采用熱壓成型工藝制備木塑復(fù)合材料，可將木材纖維的填充量提高到70%[11-13]，不但可以降低材料密度，還能改善其表面裝飾性能[14-15]。但是顆粒狀或粉末狀的塑料在與木材纖維混合時(shí)易沉落，難以均勻混合，造成復(fù)合材料性能下降。

采用纖維狀塑料可以改善塑料基質(zhì)與木材纖維的混合均勻性，有利于提高木材纖維的填充量，但高含量木材纖維對(duì)復(fù)合材料性能的影響還有待研究。筆者采用纖維狀聚丙烯(PP)與木材纖維混合，利用模壓和熱壓兩種方式制備PP基木塑復(fù)合材料，探討木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增加到90%時(shí)復(fù)合板材的物理力學(xué)性能，以尋求低密度、低成本且性能優(yōu)異的木塑復(fù)合材料的制備方法，為木塑復(fù)合材料在家具上的應(yīng)用及表面裝飾提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

中密度纖維板(MDF)用細(xì)長(zhǎng)木材纖維，30～100目(595～147 μm)，含水率≤3%；纖維狀PP，0.07 mm(直徑)×6 mm(長(zhǎng))，大城縣南青州久耀密封材料廠；馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)，接枝率1%，南通日之升高分子新材料科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

DHG-9625A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；JD1A型電磁調(diào)速混料機(jī)，德力實(shí)業(yè)集團(tuán)耐特公司；SHR-A型高速混合機(jī)，張家港市通沙塑料機(jī)械有限公司；XH-406B型電動(dòng)加硫成型機(jī)，東莞市卓勝機(jī)械設(shè)備有限公司；CMT5504型萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，美斯特工業(yè)系統(tǒng)有限公司；Q800型DMA，美國(guó)TA公司；OCA20型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x，德國(guó)Datephsics instrument GmbH公司；QUANTA200型掃描電子顯微鏡，荷蘭飛利浦公司。

1.3 復(fù)合材料的制備

1.3.1 原料混合

將木材纖維在103℃條件下干燥24 h，使含水率低于3%，然后與PP纖維、MAPP粉末按表1所示的原材配比放入電磁調(diào)速混料機(jī)中混合10 min，之后再放入高速混合機(jī)中混合10 min。

1.3.2 WF/PP復(fù)合材成型

1)模壓成型法：先將模具預(yù)熱5 min，然后將混合料鋪放到160 mm×160 mm的鐵模腔中，蓋上上蓋板，送入熱壓機(jī)，180℃下先在0.4 MPa壓力下預(yù)壓3 min，然后升高壓力至2.2 MPa，熱壓7 min，之后冷壓8 min定型，控制板材厚度為4 mm。

表1 WF/PP復(fù)合材料的原料配比

注：MAPP添加量為木材纖維和PP總質(zhì)量的4%。

2)熱壓成型法：先將混合料置于150 mm×170 mm的木框中預(yù)壓，然后撤去木框，將板坯送入熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓成型，溫度和加壓過程同模壓成型法，控制板材厚度為4 mm。

1.4 性能表征

1.4.1 密度和吸水厚度膨脹率測(cè)試

參照GB/T 17657—2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定，每組重復(fù)6次。

1.4.2 表面接觸角及表面自由能測(cè)試計(jì)算

將試件置于載物臺(tái)上，并調(diào)整位置清晰成像。在穩(wěn)定條件(溫度20℃、相對(duì)濕度65%)下分別測(cè)試蒸餾水和乙二醇在試件表面的靜態(tài)接觸角。每次測(cè)試所用水滴為5 μL，測(cè)試時(shí)間60 s，每組試件測(cè)上下表面6個(gè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果取平均值。兩種測(cè)試液體的表面張力參數(shù)見表2，表面自由能采用Owens二液法幾何平均方程與楊氏方程式進(jìn)行測(cè)算。

表2 測(cè)試液體的表面張力參數(shù)

1.4.3 彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度測(cè)試

參照ASTM D790-03標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試彎曲強(qiáng)度，每組測(cè)試8 個(gè)試件；參照ASTM D6110-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試沖擊強(qiáng)度，每組測(cè)試10個(gè)試件。

1.4.4 動(dòng)態(tài)力學(xué)分析

采用單懸臂模式測(cè)試，試件尺寸為35 mm×10 mm×3 mm，掃描頻率為1 Hz，測(cè)試溫度為-50～150℃，升溫速率為3℃/min。

1.4.5 掃描電子顯微鏡(SEM)分析

先將木塑復(fù)合材料制成40 mm×10 mm×4 mm的樣條，然后用液氮冷凍后脆斷，斷面經(jīng)真空鍍金后用掃描電鏡觀察復(fù)合材料的層間斷面和橫斷面形貌，加速電壓為20 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 WF/PP復(fù)合板材的密度

采用熱壓和模壓兩種工藝制備的WF/PP復(fù)合板材密度如圖1所示。相同工藝制備的復(fù)合板材密度隨木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加略有下降，熱壓工藝所制復(fù)合板材密度為0.65～0.70 g/cm3，模壓工藝所制復(fù)合板材密度為0.70～0.75 g/cm3。模壓工藝所制復(fù)合板材密度稍大，這是由于模壓時(shí)物料在模具中熔融，流動(dòng)空間有限；而采用熱壓工藝時(shí)沒有邊框限制，物料向四周流動(dòng)，制得的板材面積變大，密度下降。統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，60%和90%時(shí)，兩種工藝制備的板材密度出現(xiàn)明顯差異。

圖1 WF/PP復(fù)合板材的密度Fig. 1 Density of wood fiber/PP composites

2.2 WF/PP復(fù)合板材的吸水性能

WF/PP復(fù)合板材的吸水性能如圖2所示。隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合板材的吸水厚度膨脹率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%以上時(shí)出現(xiàn)大幅上升。木塑復(fù)合材料吸收水分主要是由于木材纖維含有大量的羥基，易于吸水。復(fù)合材料中木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，塑料基質(zhì)對(duì)其包覆作用越差，吸水率就越大。相同木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)下模壓工藝與熱壓工藝制備的木塑復(fù)合材料吸水厚度膨脹率基本相同，且吸濕膨脹后試件形態(tài)保持完整，并未出現(xiàn)纖維脫離的現(xiàn)象。

GB/T 11718—2009《中密度纖維板》標(biāo)準(zhǔn)中要求MDF吸水厚度膨脹率在干燥和潮濕狀態(tài)下分別不大于35%和18%，本研究中木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%和90%時(shí)，復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率分別為14.69%和27.35%。可以看出，當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過80%時(shí)，復(fù)合材料的耐水性可滿足潮濕環(huán)境使用要求；而當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)只能滿足干燥環(huán)境使用要求。因此，可根據(jù)使用環(huán)境合理選擇木材纖維用量，制備低成本且抗吸濕性能優(yōu)異的木塑復(fù)合材料。

圖2 WF/PP復(fù)合板材的吸水性能Fig. 2 Moisture absorption of wood fiber/PP composites

2.3 WF/PP復(fù)合板材的表面接觸角和自由能

WF/PP復(fù)合板材的接觸角測(cè)定結(jié)果見表3。隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，WF/PP復(fù)合板材的接觸角逐漸減小。PP是非極性材料，當(dāng)添加了極性較強(qiáng)的木材纖維后會(huì)大大增強(qiáng)復(fù)合材料表面的潤(rùn)濕性。木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增加到60%就可以使WF/PP復(fù)合板材的接觸角明顯下降。當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%以上時(shí)，復(fù)合板材表面的接觸角降到50°以下，與MDF相當(dāng)(MDF的蒸餾水接觸角為40°左右[16-17])，潤(rùn)濕性較好，有利于二次貼面加工時(shí)膠黏劑的潤(rùn)濕。

與熱壓工藝相比，模壓工藝所制WF/PP復(fù)合板材接觸角略大，但差別不明顯。這是因?yàn)槟簳r(shí)塑料流動(dòng)空間小，板材冷卻后表面塑料基質(zhì)較多，結(jié)皮效果更好，蒸餾水和乙二醇對(duì)其潤(rùn)濕性較差。

表3 WF/PP復(fù)合板材的接觸角

WF/PP復(fù)合板材的表面自由能計(jì)算值見表4。兩種成型方式下，復(fù)合板材的極性分量和表面自由能值均隨木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，非極性分量則逐漸減小。與木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%相比，木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%的復(fù)合板材極性分量呈跳躍式提升，在總表面能中開始占據(jù)主導(dǎo)地位。當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%時(shí)，復(fù)合板材的非極性分量小于1，表面自由能與極性分量幾乎相等。楊木的表面自由能為96.10 mJ/m2[18]，在高木材纖維含量情況下復(fù)合板材表面非極性的塑料基質(zhì)非常少，更多地顯現(xiàn)了纖維特性。極性分量的提高為復(fù)合板材貼面裝飾操作提供了有利條件，使脲醛樹脂、異氰酸酯等極性膠黏劑更易與基材反應(yīng)。MDF的極性分量在30 mJ/m2[16]以上，木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)的復(fù)合板材與其相當(dāng)。

與模壓工藝相比，熱壓工藝制備出的WF/PP復(fù)合板材表面自由能更高，這是由于在熱壓過程中沒有模具限制，物料熔融后向四周擴(kuò)散，使板材密度降低，表面塑料基質(zhì)減少，與模壓板材相比潤(rùn)濕性增強(qiáng)、接觸角增大，計(jì)算出的表面能較大。

表4 WF/PP復(fù)合板材的表面自由能

2.4 WF/PP復(fù)合板材的靜態(tài)力學(xué)性能

WF/PP復(fù)合板材的靜態(tài)力學(xué)性能見圖3。復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量都隨木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，而纖維狀的PP在混料過程中由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生靜電作用也會(huì)出現(xiàn)纖維纏結(jié)，使得物料混合均勻性變差，木材纖維和塑料基質(zhì)之間不能充分穿插和復(fù)合，產(chǎn)生缺少PP黏結(jié)的孔隙幾率增大，導(dǎo)致復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量降低。但這一點(diǎn)有利于保持沖擊強(qiáng)度，受到?jīng)_擊外力時(shí)微小孔隙吸收的能量較多，所以木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于80%時(shí)復(fù)合板材的沖擊強(qiáng)度沒有明顯下降。與50%相比，木材纖維達(dá)到90%時(shí)復(fù)合板材的沖擊強(qiáng)度下降約20%，與抗彎性能相比下降幅度很小。由于在復(fù)合板材中木材纖維與基體塑料的體積比對(duì)彈性模量有十分顯著的作用[19]，隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，木材纖維對(duì)復(fù)合材料彈性模量的貢獻(xiàn)增大，且木材纖維的彈性模量高于PP塑料。因此，當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從60%增加到80%時(shí)，木材纖維對(duì)彈性模量提高的貢獻(xiàn)部分抵消了物料混合均勻性變差帶來的不利影響，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彈性模量下降趨勢(shì)不明顯。但當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%以上時(shí)，缺乏足夠的塑料基質(zhì)黏結(jié)纖維，在木材纖維團(tuán)聚部分易發(fā)生斷裂，力學(xué)性能明顯降低。

由圖3可知，采用熱壓工藝制備的復(fù)合板材沖擊強(qiáng)度高于模壓工藝，而彎曲強(qiáng)度和彈性模量低于模壓工藝。這是由于在熱壓過程中沒有邊框限制，塑料基質(zhì)向四周流動(dòng)的空間相對(duì)較大，滲入到木材纖維內(nèi)部的塑料較少，使得復(fù)合板材的界面結(jié)合相對(duì)較差；此外，板材密度下降也是原因之一。密度低則孔隙率高，有利于吸收能量，表現(xiàn)為熱壓工藝制備的板材沖擊強(qiáng)度較高。

圖3 WF/PP復(fù)合板材的靜態(tài)力學(xué)性能Fig. 3 Mechanical properties of wood fiber/PP composites

2.5 WF/PP復(fù)合板材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

WF/PP復(fù)合板材動(dòng)態(tài)力學(xué)分析曲線見圖4。復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低，這是因?yàn)槟静睦w維質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，在復(fù)合體系內(nèi)越容易發(fā)生團(tuán)聚，木材纖維與聚丙烯塑料的界面結(jié)合逐漸減弱[20]。由圖4a和4b可知，相比于熱壓工藝，在相同木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)和同一測(cè)試溫度下，模壓工藝制備的復(fù)合板材儲(chǔ)能模量更高，這與抗彎性能測(cè)試分析結(jié)果相同。

圖4c和4d為兩種成型工藝下復(fù)合板材的損耗角正切曲線。隨著溫度的升高，損耗角正切曲線會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)松弛峰，其中位于0℃附近的是主轉(zhuǎn)變峰，為復(fù)合材料中PP非晶區(qū)的β松弛轉(zhuǎn)變(玻璃化轉(zhuǎn)變)，該轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)的溫度為復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)[21]。在75℃附近出現(xiàn)的峰為復(fù)合材料中PP結(jié)晶區(qū)的α松弛峰，代表復(fù)合材料的阻尼性能[22]。WF/PP復(fù)合板材的轉(zhuǎn)變溫度及損耗因子見表5。隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的β松弛峰逐漸升高并右移。這是因?yàn)殡S著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，而木材纖維的隔熱性能較好，塑料吸熱滯后，造成復(fù)合板材玻璃轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)變的滯后。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，且塑料基體減少時(shí)，由于PP塑料的假塑性流變特性，使得吸收較少的熱量就可以使分子鏈段在較低的溫度下產(chǎn)生滑移。隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，復(fù)合板材的α轉(zhuǎn)變溫度向低溫移動(dòng)，這可能是因?yàn)槔w維之間的塑料基質(zhì)少，結(jié)晶總量降低，分子鏈段在熱作用下易于出現(xiàn)滑移[23]。當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%～70%時(shí)，復(fù)合材料的各損耗角正切曲線較為接近；當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過70%后，復(fù)合材料的損耗角正切明顯高于低木材纖維含量的，阻尼特征更加明顯。

熱壓工藝的β轉(zhuǎn)變峰值略低于模壓工藝，且其β轉(zhuǎn)變溫度較高，α轉(zhuǎn)變溫度較低。這主要是因?yàn)闊釅哼^程中塑料流動(dòng)較大，塑料對(duì)木材纖維包覆效果更好，木粉與聚合物分子鏈之間的相互作用限制了聚合物分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使參與結(jié)晶的分子鏈減少，導(dǎo)致了結(jié)晶度下降[24]。

圖4 WF/PP復(fù)合板材的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能Fig. 4 Dynamic thermomechanical properties of wood fiber/PP composites

復(fù)合材料代號(hào)模壓工藝熱壓工藝β轉(zhuǎn)變溫度/℃β?lián)p耗因子α轉(zhuǎn)變溫度/℃α損耗因子β轉(zhuǎn)變溫度/℃β?lián)p耗因子α轉(zhuǎn)變溫度/℃α損耗因子50WPC11950053974530070913420050370240071360WPC12560054374490072914310052369800075470WPC13620056472890075914390054268570076480WPC14530065471940085715120062767630084790WPC163100741717100891160000701671300895

2.6 WF/PP復(fù)合板材的SEM分析

在SEM下觀察模壓和熱壓工藝制備的復(fù)合板材層間斷面和橫截面形貌，分別如圖5和6所示。隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，纖維間填充的PP塑料基質(zhì)減少，即PP對(duì)木材纖維的包覆作用逐漸減弱。木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%以上的熱壓板材出現(xiàn)較多空隙，對(duì)板材性能造成影響，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%時(shí)尤為明顯，木材纖維間存在較大空隙，缺少塑料介質(zhì)的黏接，在宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能降低。熱壓工藝所制復(fù)合板材的界面結(jié)合差別不明顯，其沖擊斷面有更多的纖維翹起(圖6d、6e和6f)，與PP基質(zhì)脫黏，起到吸收能量的作用。

圖5 WF/PP復(fù)合板材層間斷面掃描電鏡圖(200×)Fig. 5 SEM images of wood fiber/PP composites interlamination fracture surface (200×)

圖6 WF/PP復(fù)合板材橫截面掃描電鏡圖(100×)Fig. 6 SEM images of wood fiber/PP composites cross section(100×)

3 結(jié) 論

1)隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚丙烯基復(fù)合材料的耐水性減弱，但纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)仍可滿足潮濕環(huán)境下的使用要求；纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大可逐漸減小復(fù)合材料的表面接觸角，而表面自由能和極性分量則逐漸增大，復(fù)合材料的潤(rùn)濕性增強(qiáng)，有利于貼面裝飾。

2)隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量逐漸下降，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向高溫區(qū)移動(dòng)；當(dāng)木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從80%增加到90%時(shí)，復(fù)合材料的抗彎性能和抗沖擊強(qiáng)度降低較快。

3)掃描電鏡分析表明，隨著木材纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚丙烯對(duì)木材纖維的包覆作用逐漸減弱，空隙增多。

4)模壓工藝所制復(fù)合材料抗彎性能較好，但熱壓工藝制備的復(fù)合材料潤(rùn)濕性能和沖擊強(qiáng)度均優(yōu)于模壓工藝，在貼面裝飾方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。

[1]曹金星, 張玲, 張?jiān)茽N. 木塑復(fù)合材料界面改性方法研究進(jìn)展[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2016, 32(8):171-176. CAO J X, ZHANG L, ZHANG Y C. Advances in interfacial modification methods of wood plastic composites[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2016, 32(8):171-176.

[2]王清文, 王偉宏. 木塑復(fù)合材料與制品[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2007:11-15.

[3]王清文, 易欣, 沈靜. 木塑復(fù)合材料在家具制造領(lǐng)域的發(fā)展機(jī)遇[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 1(3):1-8. WANG Q W, YI X, SHENG J. Tailoring wood-plastic composites for furniture production:possibilities and opportunities[J]. Journal of Forestry Engineering, 2016, 1(3):1-8.

[4]劉濤, 何慧, 洪浩群, 等. 木塑復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 絕緣材料, 2008, 41(2):38-41. LIU T, HE H, HONG H Q, et al. Process in study on wood-plastic composites[J]. Insulating Materials, 2008, 41(2):38-41.

[5]FARUK O, BLEDZKI A K, FINK H P, et al. Biocomposites reinforced with natural fibers:2000-2010[J]. Progress in Polymer Science, 2012, 37(11):1552-1596.

[6]黃潤(rùn)州, 冒海燕, 梅長(zhǎng)彤, 等. 天然纖維/聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 40(3):163-169. HUANG R Z, MAO H Y, MEI C T, et al. Research status and prospect of nature fiber reinforced polymer composites[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition), 2016, 40(3):163-169.

[7]杜虎虎, 李濤, 王偉宏, 等. 木粉含量對(duì)木粉-HDPE復(fù)合材料物理力學(xué)性能的影響[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 33(1):81-85. DU H H, LI T, WANG W H, et al. Effect of wood powder content on physical and mechanical properties of wood powder/high density polyethylene composites[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2013, 33(1):81-85.

[8]LEU S Y, YANG T H, LO S F, et al. Optimized material composition to improve the physical and mechanical properties of extruded wood-plastic composites (WPCs)[J]. Construction and Building Materials, 2012, 29(7):120-127.

[9]王自瑛, 李珊珊. 高木粉填充量PE木塑復(fù)合材料的機(jī)械性能分析[J]. 塑料, 2012, 41(6):20-22. WANG Z Y, LI S S. Mechanical properties analysis of high content wood flour filled PE composite[J]. Plastics, 2012, 41(6):20-22.

[10]YEH S K, GUPTA P K. Improved wood-plastic composites through better processing[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2008, 39(11):1694-1699.

[11]ZHANG Y L, ZHANG S Y, CHOI P. Effects of wood fiber content and coupling agent content on tensile properties of wood fiber polyethylene composites[J]. Holz als Roh-und Werkstoff, 2008, 66(4):267-274.

[12]曹巖, 王偉宏, 王海剛, 等. 制備方法對(duì)木塑復(fù)合材料彎曲性能的影響[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào), 2013, 30(s1):311-314. CAO Y, WANG W H, WANG H G, et al. Effect of preparation method on the flexural properties of WPC[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2013, 30(s1):311-314.

[13]BENTHIEN J T, THOEMEN H. Effects of raw materials and process parameters on the physical and mechanical properties of flat pressed WPC panels[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2012, 43(4):570-576.

[14]楊文斌, 李堅(jiān), 劉一星. 木塑復(fù)合材料表面潤(rùn)濕性研究[J]. 福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005, 21(3):19-21. YANG W B, LI J, LIU Y X. Study of surface wetting properties of wood/plastic composites[J]. Journal of Fujian Normal University (Natural Science Edition), 2005, 21(3):19-21.

[15]郭麗敏, 王偉宏, 王清文. 木粉-HDPE復(fù)合材料的單板貼面效果研究[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(5):95-98. GUO L M, WANG W H, WANG Q W. Study on veneer overlaid of wood-flour/HDPE composites[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2014, 34(5):95-98.

[16]何華. 家具用纖維板表面性能及其對(duì)漆膜附著力影響的研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué), 2006.

[17]徐濟(jì)宏. 木材及人造板表面防水改性研究[D]. 南京：南京林業(yè)大學(xué), 2011. XU J H. Research on the surface waterproof modification of wood and wood-based panels[D]. Nanjing:Nanjing Forestry University, 2011.

[18]阮重堅(jiān), 李文定, 張洋，等. 不同生物質(zhì)材料的表面自由能[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012, 41(2):213-218. RUAN Z J, LI W D, ZHANG Y, et al. The surface free energy of different biomass materials[J]. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University (Natural Science Edition), 2012, 41(2):213-218.

[19]楊文斌, 黃祖泰, 李堅(jiān), 等. 植物纖維/塑料復(fù)合材作地板基材的研究[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 25(1):10-13. YANG W B, HUANG Z T, LI J, et al. Study on plant fiber/plastic composites as the motherboard of floorboard[J]. Journal of Fujian College of Forestry, 2005, 25(1):10-13.

[20]WANG Y, CAO J Z, ZHU L Z. Stress relaxation of wood flour/polypropylene composites at room temperature[J]. Wood and Fiber Science, 2011, 43(3):262-270.

[21]董曉莉, 鐘明強(qiáng), 陳楓, 等. 聚丙烯/木質(zhì)素復(fù)合材料制備及性能[J]. 新型建筑材料, 2010(6):1-4. DONG X L, ZHONG M Q, CHEN F, et al. Preparation and property of polypropylene/lignin composites[J]. New Building Materials, 2010(6):1-4.

[22]黨文杰, 宋永明, 王清文, 等. 木纖維/聚丙烯復(fù)合材料界面相容性及增韌改性的研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 29(2):133-137. DANG W J, SONG Y M, WANG Q W, et al. Interfacial compatibility and toughening modification of wood fiber-polypropylene composites[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2007, 29(2):133-137.

[23]WANG P, LIU J Y, YU W, et al. Isothermal crystallization kinetics of highly filled wood plastic composites:effect of wood particles content and compatibilizer[J]. Journal of Macromolecular Science, Part B, 2011, 50(12):2271-2289.

[24]李思遠(yuǎn), 楊偉, 史煒, 等. 木粉/聚丙烯復(fù)合材料力學(xué)性能及結(jié)晶行為研究[J]. 塑料工業(yè), 2005, 33(s1):146-149. LI S Y, YANG W, SHI W, et al. Mechanical properties and crystallization behavior of PP/wood flour composites[J]. China Plastics Industry, 2005, 33(s1):146-149.

Preparation and properties of polypropylene basedcomposites with high wood fibers content

LI Zhengyin, WANG Weihong*

(Key Lab. of Bio-based Material Science & Technology of Education Ministry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Wood fiber reinforced polypropylene (WF/PP) composites were prepared through two processing methods of compression molding and hot pressing. The effects of wood fiber content (50%-90%) and processing methods on WF/PP composite properties, such as moisture absorption, contact angles, surface energy and mechanical properties were evaluated, and the interlamination fracture surface of composites were observed with the scanning electron microscope (SEM). The results showed that, with the increase in wood fiber content, the wettability of the WF/PP composites was improved, the mechanical properties were decreased, the storage modulus were reduced, and the glass transition temperature was increased. When wood fiber content reached 80%, the composites remained good flexural modulus and impact strength. The 24 h thickness swelling was lower than 15%, indicating that WF/PP composites could be used in humid environment. The surface energy polar components of WF/PP composites were comparable to that of medium density fiberboard. The results of SEM images showed that, with the increase in wood fiber content, the interface bonding of composites was weakened. Compared with the composites manufactured by hot pressing method, the composites made by compression molding method had higher density and better flexural modulus. However, the composites made by the hot pressing method showed better surface wettability and impact strength, indicating that the hot-pressed composite has advantage in terms of surface covering decoration.

polypropylene; wood fiber; water absorption; mechanical property; surface energy

2016-10-15

2016-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(31670573)；黑龍江省自然科學(xué)基金(ZD2016002)。

李正印，女，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)復(fù)合材料。通信作者：王偉宏，女，教授。E-mail:weihongwang2001@nefu.edu.cn

TB332

A

2096-1359(2017)02-0009-07