邸亞森，馮旋雪，湯正捷，蘇艷煒，吳章康

(西南林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

木塑復(fù)合材料(Wood-plastic Composites，簡稱WPC )是以農(nóng)林加工剩余物植物纖維和廢舊塑料為主要原料，用注塑、擠出或模壓法等制成的新型復(fù)合材料[1]。木塑復(fù)合材料兼具木材和塑料兩者的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)廢棄木質(zhì)纖維和塑料進(jìn)行了有效的回收利用，一定程度上緩解了木材供應(yīng)的緊張，減少了環(huán)境污染[2]，在家具、建材、汽車內(nèi)飾、園林景觀等許多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

影響木塑復(fù)合材料性能的主要因素有植物纖維種類、用量、粒徑大小以及基體塑料的種類、品級(jí)、用量，助劑的種類及使用，成型工藝等[3]。一般而言，在一定程度上植物纖維粉末的粒徑越小、分布越均勻制備出的木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能就越好?；w回收塑料的來源眾多，成分及分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)木塑復(fù)合材料的性能有很大的影響。余旺等[4]以高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚丙烯(PP)及線型低密度聚乙烯(LLDPE)等幾種塑料為基體，小麥秸稈粉為增強(qiáng)相，研究幾種塑料對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HDPE基木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能最好，LLDPE基木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能最差，ABS基木塑復(fù)合材料的吸水率最大。周亮等[5]對(duì)比了不同含量HDPE對(duì)木塑復(fù)合材料力學(xué)和熱學(xué)性能的影響，結(jié)果表明HEPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)WPC力學(xué)性能最佳，HDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)WPC熱學(xué)性能最佳。木塑復(fù)合材料常以PE回收料為基體，不同PE回收料的結(jié)構(gòu)與性能具有差異[6]，不同品級(jí)PE回收料的價(jià)格也不同，最終制備出的木塑復(fù)合材料的性能和成本具有較大的差異。因此本文以回收料A、回收料B和回收料C三種不同品級(jí)PE回收料以不同用量共混，通過兩步擠出成型法制備試樣1、試樣2和試樣3，測試三個(gè)試樣的力學(xué)性能、吸水性和熱學(xué)性能，討論回收料A、回收料B和回收料C的用量對(duì)木塑復(fù)合材料性能的影響，以期為木塑復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木粉，粒度為60～80目，由昆明駝行新材料科技有限公司提供；

回收料A(飲料瓶類，以HDPE為主的粒料)，高品級(jí)PE回收料，市場價(jià)較高，熔體流動(dòng)速率0.8～1.1 g/10 min，由昆明駝行新材料科技有限公司提供；

回收料B(油桶類，以HDPE為主的粒料)，中品級(jí)PE回收料，市場價(jià)中等，熔體流動(dòng)速率1.3～1.6 g/10 min，由昆明駝行新材料科技有限公司提供；

回收料C(薄膜類，以HDPE為主的粒料)，低品級(jí)PE回收料，市場價(jià)較低，熔體流動(dòng)速率1.7～2.0 g/10 min，由中山市中粵塑料制品有限公司提供；

加工助劑均由昆明駝行新材料科技有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

混料機(jī)：SRL-Z500/1000A，高速混合機(jī)組；造粒機(jī)：SHJ75B，雙螺桿混煉擠出造粒機(jī)；擠出機(jī)：MSSZ65/132B，雙螺桿木塑擠出機(jī)；萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)：AG-I，日本島津公司；熱重分析儀:Pyris 1 TGA，美國PE公司；動(dòng)態(tài)熱力學(xué)分析儀：DMA242C，德國耐馳公司。

1.3 木塑復(fù)合材料的制備

將3種品級(jí)PE回收料、木粉和助劑按照表1比例加入高速熱混合機(jī)進(jìn)行混煉，溫度設(shè)定為 105 ℃，高速攪拌 20 min。使用同向雙螺桿造粒機(jī)進(jìn)行造粒，分段加熱，溫度范圍設(shè)定在120～170 ℃。然后再通過錐形雙螺桿擠出機(jī)在溫度138～180 ℃ 分段加熱，模具溫度135～150 ℃ 擠出成型，冷水循環(huán)冷卻，截取試驗(yàn)用木塑試樣。試樣按照表1配方重復(fù)制備3次。

表1 木塑復(fù)合材料配方*

1.4 性能測試

力學(xué)性能：木塑復(fù)合材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和集中載荷等力學(xué)性能，分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17657-2013進(jìn)行測試，加載速度為 7 mm/min，溫度為 20 ℃。每組的測試試樣為6個(gè)，在每組試樣內(nèi)，測試時(shí)3個(gè)試樣正面向上，3個(gè)試樣背面向上，最后取平均值。

吸水性能的測定：24 h 吸水率與 24 h 厚度膨脹率，按GB/T17657—2013規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件測定。

DMA分析：在振幅為 20 μm，頻率為 1 Hz，跨距為 40 mm 的三點(diǎn)彎曲模式下測試，樣品規(guī)格為50×10×5 mm3。實(shí)驗(yàn)溫度范圍為30～200 ℃，速率為 5 ℃/min。

TG分析：取 10 mg 木塑復(fù)合材料細(xì)小碎片用熱重分析儀記錄以 20 ℃/min 的升溫速率從 30 ℃ 加熱至 800 ℃ 過程中的質(zhì)量變化來研究木塑復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

木塑復(fù)合材料力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

表2 木塑復(fù)合材料物理力學(xué)性能

從表2中可見，隨著回收料A用量的增加，試樣的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和集中載荷都變大，試樣3的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和集中載荷比試樣1分別提高了15.58%、21.29%和20.62%。

木塑復(fù)合材料力學(xué)性能與3種不同品級(jí)回收塑料的用量有關(guān)。在3種品級(jí)回收塑料中，回收料A和回收料B主要是HDPE，而回收料C中成分復(fù)雜，可能含有較多的LDPE、LLDPE和其他雜質(zhì)。袁聰慧研究了4種PE回收料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)回收薄膜PE料中含有LDPE，回收薄膜PE料的拉伸強(qiáng)度低于回收PE瓶子料[6]?；厥樟螩的熔體流動(dòng)速率較大，黏性較低。隨著回收料A的用量的增加，回收料C用量減少，塑料與木粉相容性變好，木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能增強(qiáng)。

2.2 24 h吸水率和24 h厚度膨脹率

對(duì)于木塑復(fù)合材料，吸水可能會(huì)導(dǎo)致木塑復(fù)合材料發(fā)生霉變、強(qiáng)度降低、變形等[7- 8]，而木塑復(fù)合材料的吸水率受基體和纖維的種類、界面結(jié)合強(qiáng)度、木質(zhì)纖維的相對(duì)用量、加工工藝等多種因素的影響[9-11]。從表2中可知，隨著回收料A用量的增加，木塑復(fù)合材料的 24 h 吸水率和 24 h 厚度膨脹率均減少，試樣3的 24 h 吸水率和 24 h 厚度膨脹率比試樣1都降低了0.3%。在三種品級(jí)回收塑料中，可能是回收料A熔體流動(dòng)速率較低，黏度較高，隨著回收料A用量的增加，木塑復(fù)合材料不易出現(xiàn)縫隙。

2.3 DMA分析

從圖1(a)看出，木塑復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量(E′)隨溫度的升高而單調(diào)遞減，是由于較高的溫度加強(qiáng)了聚合物分子的活動(dòng)能力，WPC持續(xù)軟化，剛性降低。在 30 ℃ 時(shí)，試樣3的儲(chǔ)能模量均高于試樣1和試樣2，這說明試樣3本身就具備良好的力學(xué)性能，同時(shí)也證明試樣3的界面結(jié)合優(yōu)于試樣1和試樣2。隨著溫度的升高儲(chǔ)能模量逐漸降低，試樣3的儲(chǔ)能模量仍高于試樣1和試樣2，因此試樣3具有較高的材料剛性。

復(fù)合材料的損耗因子(tanδ)變化對(duì)應(yīng)著復(fù)合材料中分子鏈段與分子間鏈段相互摩擦、纏繞的作用力及在外力作用下分散應(yīng)力能的變化，也能夠反應(yīng)木塑復(fù)合材料復(fù)合體系中木纖維與PE之間的界面結(jié)合的緊密程度。從圖1(b)中看出，隨溫度升高，損耗因子呈先增加后減少的趨勢，試樣1的損耗因子峰值最大(0.31<0.34<0.35)，這說明試樣1的界面結(jié)合性能最差，與試樣1的力學(xué)性能和吸水性能的研究結(jié)果一致。

圖1 木塑復(fù)合材料儲(chǔ)能模量和損耗因子

2.4 TG分析

圖2所示為三個(gè)試樣的TG曲線。由圖2可見，三個(gè)試樣的失重分為3個(gè)階段。第一階段，在260～340 ℃ 失重最嚴(yán)重，是由纖維三大組分(纖維素、半纖維素和木質(zhì)素)熱分解引起的[12]，在340～430 ℃ 時(shí)的失重較平緩，表明木質(zhì)素進(jìn)一步產(chǎn)生了熱分解；第二階段，溫度為450～500 ℃ 時(shí)PE產(chǎn)生了熱分解(PE分子鏈中的碳鏈骨架斷裂，其分解溫度為416～477 ℃[13]；第三階段，溫度為500～700℃，熱分解剩余物的進(jìn)一步炭化。從圖2可知，熱穩(wěn)定性A>B>C，這可能是因?yàn)榛厥樟螧和回收料C中混有PE-LD、PE-LLD等，這與代軍[14]的研究結(jié)果，熱穩(wěn)定性PE-HD>PE-LLD>PE-LD的結(jié)果一致。

由圖3中可知，在第一個(gè)降解過程，試樣1、試樣2和試樣3三種復(fù)合材料的最大降解發(fā)生的溫度分別在 350.0 ℃、361.6 ℃、371.5 ℃；在第二個(gè)降解過程，試樣1、試樣2和試樣3三種復(fù)合材料的最大降解發(fā)生的溫度分別在 484.7 ℃、485.5 ℃、485.7 ℃、；在第一個(gè)降解過程中，試樣3的降解比試樣1和試樣2的降解溫度高，這說明其分子間具有更強(qiáng)的吸附力和鍵結(jié)合力，界面的結(jié)合效果更佳，材料的穩(wěn)定性更強(qiáng)，這與力學(xué)性能的研究結(jié)果一致。而在第二個(gè)高溫降解階段，由于溫度過高，復(fù)合體系的組分基本都發(fā)生降解，此時(shí)分子鏈的強(qiáng)弱成為主要原因，與分子間的結(jié)合力關(guān)系不大[15]。

3 結(jié)論

在本試驗(yàn)中，回收料A的用量為 5 kg、10 kg、15 kg 時(shí)，隨著回收料A用量的增加，木塑復(fù)合材料的彈性模量、靜曲強(qiáng)度和集中載荷逐漸變大，24 h 吸水率和 24 h 厚度膨脹率變小，熱學(xué)性能變好。當(dāng)回收料A、回收料B和回收料C的用量比(質(zhì)量比)為15∶30∶5時(shí)，木塑復(fù)合材料綜合性能最佳。