韓麗娜 許民

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

李佳璐

(吉林新合木業(yè)有限責任公司)

木粉改性對木粉-橡膠復(fù)合材料界面結(jié)合性能的影響1)

韓麗娜 許民

(生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

李佳璐

(吉林新合木業(yè)有限責任公司)

將楊木木材加工中剩余的邊角料及木材加工利用不了的枝丫材加工成木粉，對楊木粉進行熱處理、堿處理、偶聯(lián)劑KH550改性處理后，與輪胎橡膠復(fù)合制備木粉-橡膠復(fù)合材料，分析楊木粉改性后對木粉-橡膠復(fù)合材料界面結(jié)合以及性能的影響。結(jié)果表明：3種改性方法，均不同程度地提高了復(fù)合材料的拉伸強度、硬度、回彈性和耐寒性。堿處理的斷裂伸長率提高，堿處理和偶聯(lián)劑處理的耐磨性變好、界面結(jié)合更好；熱處理大幅度改善了材料的吸水性，其中熱處理后24 h的吸水質(zhì)量增加率只有0.4%，比未處理降低42.86%。

楊木木粉；輪胎橡膠；復(fù)合材料；木粉改性

楊樹是我國重要的人工林樹種之一，具有速生豐產(chǎn)的優(yōu)點，用于生產(chǎn)和生活的各個方面。但是，速生楊木本身存在木材柔軟、密度低、容易翹曲等缺點，它主要用于制造一些性能要求不高和低附加值的產(chǎn)品[1-3]。因此，充分合理利用人工林，提高人工林木材的產(chǎn)品附加值，已成為木材加工業(yè)廣泛關(guān)注的焦點和重要的研究方向。

將木材加工中剩余的邊角料及木材加工利用不了的枝丫材加工成木粉，與輪胎橡膠復(fù)合制備成木粉-橡膠復(fù)合材料，是拓展人工林的利用率和附加值的有效途徑之一。橡膠是高氣密性的彈性體，疏水、防腐防蟲、尺寸穩(wěn)定性高，尤其是輪胎橡膠，除一般橡膠具有的特性外，還具有耐老化、耐磨、玻璃化溫度低等特性[4]。木粉-橡膠復(fù)合材料，既保持了強度、剛度與質(zhì)量比較高、木材價格低廉等優(yōu)點，又利用汽車輪胎橡膠的特性克服了尺寸穩(wěn)定性差、易腐蝕的缺陷，不僅提高人工林的利用率和附加值，而且作為橡膠的一種再生資源，還能緩解橡膠資源短缺的問題。

以往研究的木質(zhì)-橡膠復(fù)合材料，基本用膠黏劑黏合木材與廢橡膠粉，并通過熱壓的加工方法制得，且橡膠的作用只是填料，并沒有發(fā)揮黏合的作用[5-13]。本研究依照橡膠混煉-硫化工藝壓板，通過橡膠的黏合力黏合木材，省去了膠黏劑，開拓了新的加工思路。其中，試驗用的輪胎橡膠是輪胎橡膠行業(yè)的常用材料，具有耐高低溫、優(yōu)良的防腐、耐候性能，可在惡劣的環(huán)境和氣候條件下使用，進一步拓展木質(zhì)-橡膠復(fù)合材料的應(yīng)用范圍和應(yīng)用環(huán)境。但是，木粉與橡膠存在極性差異，不利于黏合；針對這一特性，對木粉分別進行熱處理、偶聯(lián)劑處理、堿處理，以達到改善界面結(jié)合，提高復(fù)合材料性能的目的。

1 材料與方法

1.1 原材料

楊木木粉100～120目，干燥到含水率1%～3%(新沂市飛皇化工有限公司)；輪胎橡膠(哈爾濱興達橡膠廠)，片材，橡膠具體配方見表1。

1.2 主要儀器與設(shè)備

XH-409型混煉機、XH-401A型橡膠開煉機、XH-406B型平板硫化機，東莞卓勝儀器設(shè)備有限公司；沖片機JZ-6000、橡膠硬度計JZ-LX-A、阿克隆磨耗機JZ-6041、低溫脆性試驗機JZ-6043、JZ-6029A型橡膠無轉(zhuǎn)子硫化儀、JZ-6022型橡膠沖擊彈性測試儀，江蘇精卓儀器設(shè)備有限公司；QUANTA200型掃描電鏡，美國FEI公司；CMT5504型力學(xué)測試電子萬能力學(xué)試驗機，深圳瑞格爾儀器有限公司。

表1 輪胎橡膠配方

1.3 木粉改性

熱處理改性：選取尺寸規(guī)格為45 mm×1 000 mm×240 mm的楊木木塊，以過熱蒸汽為傳熱介質(zhì)和保護氣體熱處理楊木，熱處理溫度180 ℃，處理時間4 h。具體步驟——①升溫階段。先將熱處理箱內(nèi)溫度升高到80 ℃，預(yù)熱處理1～2 h，使木材熱透，然后將溫度快速升至110 ℃，對木材進行干燥處理，此時開始間歇性的通入水蒸氣，再將溫度以15～20 ℃/h的速度升高到目標溫度。②熱處理階段。當熱處理箱內(nèi)溫度達到目標溫度后，開始保溫進行熱處理，同時繼續(xù)間歇性通入水蒸氣作為保護氣體，以避免力學(xué)強度的大幅下降和安全試驗。③降溫和調(diào)節(jié)過程。熱處理結(jié)束后，關(guān)閉加熱開關(guān)，讓風(fēng)機繼續(xù)運轉(zhuǎn)，等熱處理箱中溫度降至130 ℃時，停止通入水蒸氣，同時關(guān)閉風(fēng)機，待木材降至室溫時，即可取出木材，并盡快將熱處理材置于恒溫恒濕箱中調(diào)節(jié)。④將所得熱處理楊木磨成木粉，篩選出100～120目的熱處理楊木粉，將木粉在103 ℃下烘至絕干，裝袋密封。

堿處理改性：配置質(zhì)量分數(shù)為18%的NaOH水溶液，將干燥后100～120目的楊木粉加入其中，木粉與NaOH水溶液的質(zhì)量比為1∶5，在攪拌狀態(tài)下處理1 h。然后，用去離子水將處理后的木粉洗至中性，過濾，在70 ℃下鼓風(fēng)干燥4 h，升溫至103 ℃后烘至絕干，裝袋密封。

偶聯(lián)劑處理改性：將無水乙醇和蒸餾水配置成質(zhì)量分數(shù)為95%的乙醇水溶液，用醋酸溶液將其pH值調(diào)節(jié)到3左右，邊攪拌邊加入偶聯(lián)劑KH550，使偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為4%，水解數(shù)小時。將稱量好的100～120目楊木粉放入高速混合機中，在60 ℃條件下，用配置好的偶聯(lián)劑KH550對木粉進行噴淋。噴淋完畢后繼續(xù)攪拌30 min，取出木粉，室溫涼置12 h，然后放入烘箱，在103 ℃條件下干燥24 h，裝袋密封。

1.4 試樣制備

設(shè)計改性木粉的質(zhì)量比例為20%。先將輪胎橡膠放入XH-409型混煉機混煉3 min，通過水冷控制混煉溫度為60～70 ℃，調(diào)速器控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20～30 r/min。再加入改性后的木粉繼續(xù)混煉5 min，混合均勻，取出膠料開煉3～5次?；鞜捘z停放8 h后，用JZ-6029A型橡膠無轉(zhuǎn)子硫化儀在160 ℃下測定硫化曲線，硫化時間10 s和90 s，硫化壓力15 Mpa。根據(jù)測得硫化時間，用XH-406B型平板硫化機對試樣硫化成型，硫化條件為160 ℃×90 s。具體工藝流程見圖1。

圖1 木粉-橡膠復(fù)合材料制備工藝流程

1.5 復(fù)合材料力學(xué)性能檢測

利用JZ-6010型橡膠沖片機裁出啞鈴形樣條，通過CMT5504型微機控制電子萬能實驗機。根據(jù)GB/T 528-2009測定試樣的拉伸強度、斷裂伸長率，拉伸速度為500 mm/min；回彈性，按照GB/T 1681-2009進行測試；硬度，按照GB/T 5311-2008第1部分邵氏硬度計法(邵爾硬度)進行測試；磨耗，按照GB/T 1689-1998測定硫化橡膠的磨耗體積。使用美國公司FEI QUAN生產(chǎn)的TA200型電子顯微鏡，在10 kV下觀察復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)和材料內(nèi)部的界面結(jié)合情況。復(fù)合材料的吸水膨脹率樣本大小為50 mm×50 mm×2 mm，計算公式：γh=((h1-h0)/h0)×100%，γh為材料吸水厚度膨脹率，h0為樣品吸水前的厚度，h1為樣品吸水后的厚度。γm=((m1-m0)/m0)×100%，γm為材料吸水質(zhì)量增加率，m0為樣品吸水前的質(zhì)量，m1為樣品吸水后的質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

對木粉-橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

2.1 拉伸強度

由表2可見：楊木粉經(jīng)過熱處理、堿處理、KH550處理后，復(fù)合材料拉伸強度均提高，尤其是偶聯(lián)劑處理和堿處理；堿處理提高6.57%、偶聯(lián)劑處理提高2.50%、熱處理提高0.13%。說明改性后的木粉，提高了木粉與橡膠基體間的界面結(jié)合強度和補強性能。

原因：熱處理使抽提物減少，孔隙增多，增加木粉與橡膠的接觸面積，但是，由于高溫條件下木粉內(nèi)部半纖維素發(fā)生降解[14]，這一過程破壞木粉內(nèi)部半纖維素、木質(zhì)素與纖維素的聯(lián)結(jié)，減少半纖維素與纖維素間聯(lián)結(jié)點的數(shù)量，斷點數(shù)量增加，導(dǎo)致胞間層劈裂，表現(xiàn)為木材自身的的力學(xué)強度下降，所以力學(xué)增加的不多。

表2 不同改性木粉的木粉-橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能

注：表中數(shù)據(jù)(除低溫脆性溫度外)為“平均值±標準差”。

偶聯(lián)劑KH550處理對復(fù)合材料拉伸強度的提高，主要是因為偶聯(lián)劑KH550中Si—OCH可水解變成硅醇，硅醇基會與纖維表面的羥基發(fā)生脫水反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)鍵連接，形成穩(wěn)固的Si—O—C，另一端的長鏈烷基可與橡膠長分子鏈相互作用[15]。這些生成的穩(wěn)定化學(xué)鍵，使改性后材料拉伸強度有所改善，但是偶聯(lián)劑改性會使木粉發(fā)生一定團聚，使木粉在橡膠基體中分散不勻，導(dǎo)致拉伸強度提高，但幅度不大。

堿處理木粉提高材料拉伸強度幅度最大，主要是因為堿處理可去除木粉表面雜質(zhì)、灰分等，以及植物纖維中部分果膠、木質(zhì)素、半纖維素和其它低分子化合物，使纖維束分裂、纖維變蓬松、孔隙增多，纖維原纖化，降低纖維親水性[16]，從而使基體橡膠比較容易浸入纖維束的導(dǎo)管，提高木粉與橡膠接觸面積，從而提高木粉與基體間界面結(jié)合強度；且堿處理使木粉中纖維素的比例增加，一定程度上增強復(fù)合材料拉伸強度。

2.2 斷裂伸長率

由表2可見：與未處理木粉-橡膠復(fù)合材料斷裂伸長率相比，熱處理、偶聯(lián)劑處理降低了復(fù)合材料的斷裂伸長率，說明木粉熱處理和偶聯(lián)劑處理對復(fù)合材料韌性沒有什么積極作用。堿處理后斷裂伸長率比未處理斷裂伸長率要高，說明堿處理改性楊木粉提高木粉-橡膠復(fù)合材料斷裂伸長率。原因是楊木中含有抽提物，成分多樣復(fù)雜，堿處理使楊木木纖維原纖化，在增強了木粉與橡膠接觸面積的同時，使楊木粉中抽提物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增強木粉與橡膠相容性，使復(fù)合材料韌性增強。

2.3 硬度

由表2可見：改性楊木粉使復(fù)合材料硬度均提高，木粉-橡膠復(fù)合材料硬度從大到小的處理方式，依次為偶聯(lián)劑KH550處理、熱處理、堿處理、未處理，說明木粉改性提高復(fù)合材料硬度。偶聯(lián)劑改性復(fù)合材料硬度增加2.18%、熱處理增加1.91%、堿處理增加0.82%。

原因：偶聯(lián)劑KH550一端可以和植物纖維反應(yīng)形成化學(xué)鍵，另一端能與橡膠基體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或生成氫鍵，使木粉和基體橡膠牢固地偶聯(lián)起來，改善木粉與橡膠的界面作用，提高界面結(jié)合性能。化學(xué)鍵的結(jié)合使材料的交聯(lián)密度升高，從而硬度升高；另一個原因，是偶聯(lián)劑在改性過程中會發(fā)生木粉團聚，團聚的木粉增加了材料的硬度。熱處理改性之后的木粉顏色變深，變堅硬，從而提高了材料的硬度。

堿處理改性木粉-橡膠復(fù)合材料的硬度低很多。原因是因為堿處理除去植物纖維中的部分果膠，且溶解了木材纖維束中木質(zhì)素、半纖維素以及其它低分子化合物，使纖維束分裂，纖維變蓬松；堿處理時間過長，也會使纖維素溶解其中；堿處理改性橡膠木粉，快速的將橡膠木粉中糖類、蛋白質(zhì)、灰分等大部分抽提物溶解，纖維素與堿溶液接觸面積大，接觸時間長，從而使纖維素部分溶解，木粉中纖維減少，木粉的力學(xué)強度降低，致使堿處理木粉-橡膠復(fù)合材料的硬度降低。

2.4 回彈性

由表2可見：楊木粉經(jīng)過熱處理、堿處理、KH550處理后，復(fù)合材料回彈性均提高，木粉-橡膠復(fù)合材料回彈性由大到小的處理方式，依次為偶聯(lián)劑KH550處理、堿處理、熱處理、未處理，偶聯(lián)劑改性木粉回彈性增加6.76%、堿處理增加5.31%、熱處理增加2.90%。原因是偶聯(lián)劑處理，將橡膠基體與木粉通過化學(xué)鍵連接，化學(xué)鍵結(jié)合強度優(yōu)于物理結(jié)合強度，材料交聯(lián)性增加，所以回彈性增加最多。

2.5 低溫脆性分析

由表2可見：木粉-橡膠復(fù)合材料脆性溫度基本達到-60 ℃以下，耐低溫性能非常好。熱處理改性木粉-橡膠復(fù)合材料脆性溫度最低，達-62 ℃，說明熱處理改性復(fù)合材料的低溫性能略有改善。欲提高橡膠低溫性能，一般有兩種途徑：向橡膠中加入增塑劑，提高橡膠塑性；與玻璃化溫度較低的單體混合[17]。兩種方法的實質(zhì)，都是設(shè)法降低橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。前者，向橡膠中加入低相對分子質(zhì)量的增塑劑，增加了橡膠內(nèi)部的自由體積，使得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降；后者，根據(jù)Fox方程通過與低溫單體混合，降低橡膠整體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。熱處理木粉正是提高了橡膠塑性，它的相對分子質(zhì)量較未改性木粉更低，從而與橡膠混合后，復(fù)合材料塑性增加，橡膠低溫性能提高。

2.6 耐磨性

由表2可見：堿處理、偶聯(lián)劑KH550處理改性木粉-橡膠復(fù)合材料磨耗體積，比未處理復(fù)合材料磨耗體積低很多，說明堿處理、偶聯(lián)劑處理提高了木粉-橡膠復(fù)合材料耐磨性能；熱處理反而增加了復(fù)合材料磨耗體積，耐磨性能變差。堿處理耐磨性提高26.98%、偶聯(lián)劑處理提高20.63%，說明堿處理、偶聯(lián)劑KH550處理提高了木粉與橡膠基體間的界面結(jié)合強度，從而提高材料的耐磨性能。

原因是：熱處理使木材的顏色變深，抽提物含量減少；半纖維素、纖維素和木質(zhì)素發(fā)生了化學(xué)變化，其內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生的顯著變化，改變木材本身的內(nèi)部堅固的結(jié)構(gòu)；雖然木材尺寸穩(wěn)定性和耐久性得到顯著提高，但是其力學(xué)強度降低，對木材橡膠之間的相容性沒有什么積極作用；從而熱處理的耐磨性能也有所降低。

偶聯(lián)劑KH550使木粉和基體橡膠通過偶聯(lián)劑生成的化學(xué)鍵牢固地偶聯(lián)起來，改善木粉與橡膠的界面作用，提高界面結(jié)合性能。木粉與橡膠基體結(jié)合越緊密，則材料的耐磨性能越好。

堿處理可除去植物纖維中的部分果膠、木質(zhì)素、半纖維素以及其它低分子化合物，使纖維束分裂、纖維之間孔隙增多，降低纖維的親水性，從而使基體樹脂比較容易浸入纖維束的導(dǎo)管，提高纖維與基體間的界面結(jié)合強度，同時提高材料的耐磨性。

2.7 吸水膨脹率

2.7.1 吸水厚度膨脹率

由表3可見：處理時間在短時間(≤168 h)內(nèi)，復(fù)合材料吸水厚度膨脹率由大到小的處理方式，依次為堿處理、偶聯(lián)劑處理、未處理、熱處理。熱處理降低效果最明顯，1周內(nèi)吸水厚度膨脹率幾乎為零；偶聯(lián)劑處理、堿處理，增加了復(fù)合材料吸水厚度膨脹率，但是增幅不大。處理時間在長時間(≥2周)內(nèi)，復(fù)合材料吸水厚度膨脹率由大到小的處理方式，依次為未處理、堿處理、偶聯(lián)劑處理、熱處理，熱處理的降低效果最明顯，吸水性大幅度改善。

表3 不同改性木粉的木粉-橡膠復(fù)合材料的吸水厚度膨脹率 %

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”。

2.7.2 吸水質(zhì)量增加率

由表4可見：處理時間在短時間(≤168 h)內(nèi)，復(fù)合材料吸水質(zhì)量增加率從大到小的處理方式，依次為堿處理、未處理、偶聯(lián)劑處理、熱處理，說明偶聯(lián)劑處理、熱處理木粉可以降低復(fù)合材料短時間吸水質(zhì)量增加率，改善吸水性；堿處理，反而增加了復(fù)合材料的吸水質(zhì)量增加率，吸水性變差。熱處理的降低效果最明顯，復(fù)合材料的24 h吸水質(zhì)量增加率僅為0.4%，比未處理降低42.86%；偶聯(lián)劑KH550處理復(fù)合材料的24 h吸水質(zhì)量增加率降低14.29%。復(fù)合材料168 h吸水質(zhì)量增加率，熱處理降低38.89%、偶聯(lián)劑KH550處理降低16.67%。處理時間在長時間(≥2周)內(nèi)，復(fù)合材料吸水質(zhì)量增加率從大到小的處理方式，依次堿處理、偶聯(lián)劑處理、未改性、熱處理。

表4 不同改性木粉的木粉-橡膠復(fù)合材料的吸水質(zhì)量增加率 %

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”。

2.7.3 吸水膨脹率的綜合分析

綜合分析處理時間在短時間和長時間內(nèi)復(fù)合材料吸水后的厚度膨脹率與質(zhì)量增加率，基本可得到大致規(guī)律，復(fù)合材料吸水厚度膨脹率、吸水質(zhì)量膨脹率從大到小的處理方式，依次為堿處理、未處理、偶聯(lián)劑處理、熱處理。

堿處理條件下復(fù)合材料的吸水膨脹率和質(zhì)量增加率。原因是：纖維堿處理后，除去了部分半纖維素和木質(zhì)素，增加了纖維素的比例，纖維素是纖維高吸水率的主要原因。因為纖維素分子除了兩個端基外，每個葡萄糖基都有3個羥基(—OH)，使纖維具有很強的極性，水分很容易進入纖維素中的非結(jié)晶部分，發(fā)生結(jié)晶區(qū)間的有限溶脹。

偶聯(lián)劑改性降低了復(fù)合材料的短時間吸水膨脹率和質(zhì)量增加率，提高材料吸水性。這是由于偶聯(lián)劑與纖維表面的羥基反應(yīng)后，降低了纖維表面的極性，再加上偶聯(lián)劑在纖維表面起到一個保護層的作用，阻止了纖維素和半纖維素吸水。而長時間浸泡使復(fù)合材料的吸水質(zhì)量增加率變大，主要是因為長時間在水中浸泡，使材料發(fā)生變質(zhì)反應(yīng)，導(dǎo)致吸水質(zhì)量增加率變大，吸水性變差。

熱處理改性吸水膨脹率和質(zhì)量增加率大幅度降低的原因，主要是多種因素綜合作用的結(jié)果：①半纖維素的降解。木材的半纖維素在熱處理過程中會發(fā)生顯著降解，導(dǎo)致細胞壁中自由羥基數(shù)量減少，這是處理材吸水膨脹率下降的主要因素。②纖維素結(jié)晶度的增加。纖維素雖然分子鏈上也富含羥基，但約有2/3的羥基在纖維素分子鏈內(nèi)或分子間通過氫鍵連接，形成具有部分晶體結(jié)構(gòu)的微纖絲，因而只有無定形區(qū)和結(jié)晶區(qū)表面的羥基才能與水結(jié)合。在200 ℃左右的高濕熱處理條件下，纖維素準結(jié)晶區(qū)的部分分子會重新排列而結(jié)晶化，半纖維素中的木聚糖與甘露聚糖在去除乙?；笠簿哂薪Y(jié)晶化的能力，從而使纖維素中可與水進行結(jié)合的吸著點數(shù)量進一步下降。③木質(zhì)素的縮合反應(yīng)。熱處理使楊木粉木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。一些研究認為，木質(zhì)素在熱處理過程中發(fā)生了縮合反應(yīng)，單元間以亞甲基或C—C鍵相連，形成了更加穩(wěn)固而缺乏彈性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹在其中的纖維素微纖絲的膨脹性因而受到限制，降低了對水分子的吸收能力。④細胞壁微觀結(jié)構(gòu)的變化。熱處理引發(fā)了細胞壁結(jié)構(gòu)的重組，產(chǎn)生了一個聯(lián)系更加緊密的結(jié)構(gòu)，它封閉了一些水分原本可以接觸到的極性基團，使之在吸濕條件下也無法打開[18]。綜上所述，熱處理改性木粉，可以大幅度改善復(fù)合材料的吸水性。

2.8 微觀界面的分析

圖2中的a～d為楊木粉不同改性條件下制得的木粉-橡膠復(fù)合材料脆斷表面形貌掃描電鏡圖片，放大倍數(shù)均選擇500倍；圖2中的e為堿處理木粉復(fù)合材料脆斷表面形貌掃描電鏡圖片，放大倍數(shù)為140倍。由圖2a可見：未改性木粉復(fù)合材料纖維較完整的裸露在基體中，說明纖維存在拔出現(xiàn)象，導(dǎo)致未改性復(fù)合材料力學(xué)性能不高。由圖2b可見：熱處理后，木粉的纖維體積變得更加小、更加碎，且熱處理對應(yīng)的復(fù)合材料的斷面有少量的孔洞和拔出現(xiàn)象，說明兩相界面相容性較差，導(dǎo)致纖維很容易從橡膠基體中拔出，影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。由圖2c可見：偶聯(lián)劑KH550改性制得的復(fù)合材料，斷面較其它2種改性更為平整，基本不存在纖維拔出現(xiàn)象；纖維與橡膠基體之間黏結(jié)性進一步加強，兩相界面已變得相對模糊，纖維被橡膠基體緊緊包裹、連接緊密，纖維與基體之間沒有間隙，且復(fù)合材料被拉斷后，斷面表現(xiàn)為韌性斷裂的特征，纖維表面仍黏著部分的橡膠基體；說明KH550能改善木粉纖維和橡膠基體的界面相容性，這與力學(xué)性能測試結(jié)果相吻合。由圖2d可見：NaOH改性后，木粉纖維纖維束分裂程度較未處理木粉纖維均有所增加，更加蓬松，纖維表面更粗糙，且纖維與橡膠基體之間界面模糊，纖維束間空隙減小，纖維界面表現(xiàn)為斷裂形態(tài)。由圖2e可見：兩相界面相對模糊，纖維被橡膠基體緊緊包裹、連接緊密，纖維與基體之間沒有間隙，基本不存在纖維拔出現(xiàn)象，且復(fù)合材料被拉斷后，斷面表現(xiàn)為韌性斷裂的特征；這表明NaOH改性后的木粉纖維表面羥基減少，極性降低，與橡膠相容性提高，兩相界面的結(jié)合得到改善，纖維與橡膠之間界面粘結(jié)強度得到提高，進而提高復(fù)合材料力學(xué)性能。

3 結(jié)論

楊木粉經(jīng)熱處理、堿處理、KH550處理后，復(fù)合材料拉伸強度均有提高，尤其是偶聯(lián)劑處理和堿處理，偶聯(lián)劑處理提高2.50%、堿處理提高6.57%；硬度均有提高，尤其是偶聯(lián)劑處理提高率為2.18%；回彈性均有提高，其中偶聯(lián)劑處理提高率最高，為6.76%；耐低溫特性均有提高，其中熱處理低溫脆性溫度最低，達-62 ℃；堿處理提高了復(fù)合材料的斷裂伸長率；堿處理、偶聯(lián)劑處理，大幅度提高了材料的耐磨特性，其中堿處理耐磨性提高26.98%、偶聯(lián)劑處理提高20.63%。分析界面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，堿處理和偶聯(lián)劑處理的界面結(jié)合更好。偶聯(lián)劑處理和熱處理木粉，可以降低復(fù)合材料吸水膨脹率，改善吸水性，其中熱處理對材料吸水性的改善效果最明顯，熱處理復(fù)合材料24 h吸水質(zhì)量增加率最低，僅為0.4%，較未處理木粉降低42.86%；偶聯(lián)劑KH550處理復(fù)合材料的24 h吸水質(zhì)量增加率降低14.29%。對于168 h吸水質(zhì)量增加率，熱處理降低38.89%、偶聯(lián)劑KH550處理降低16.67%。

a為未處理木粉；b為熱處理木粉；c為偶聯(lián)劑KH550處理木粉；d為堿處理木粉；e為縮小比例的堿處理木粉(×140)。

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Effect of Wood Powder Modifying on Interface Bonding and Performance of Wood-rubber Composites//

Han Lina, Xu Min

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

Li Jialu

(Jilin Newco Wood Industries co., LTD)

//Journal of Northeast Forestry University，2017,45(8)：76-81.

We measured the composites performance, water absorption rate and scanning electron microscope to study the effect of heat treatment, alkali treatment and coupling agent KH550 modifying wood powder on interface bonding and performance of wood-rubber composites. The three kinds of modified methods improved the tensile strength, hardness, resilience and low temperature brittle. The elongation at break by alkali treatment was increased. Alkali treatment and coupling agent treatment of abrasion resistance were good, and the combination of the alkali treatment and coupling agent processing interface were better. The heat treatment significantly reduced the water-absorbing capacity of composites, and the water absorption increment rate of the composites after 24-h heat treatment was only 0.4%, reduced by 42.86% compared with non-treatment composites.

Poplar wood powder; Tire rubber; Composites; Modified wood powder

1)國家自然科學(xué)基金項目(31670574)。

韓麗娜，女，1988年8月生，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，碩士研究生。E-mail：hln888666@163.com。

許民，生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：donglinxumin@163.com。

2017年4月6日。

S781.7；TB332

責任編輯：張 玉。