陳 圓 王 欣 胡建鵬

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

木塑復(fù)合材料（Wood plastic composites，WPC）是一種具有巨大潛能的綠色環(huán)保復(fù)合材料。WPC主要以廢舊塑料和廢舊木質(zhì)材料為原料，并添加偶聯(lián)劑或功能助劑，通過(guò)模壓、擠出或注塑等方式成型的復(fù)合材料[1]。WPC因其成本低、抑菌性強(qiáng)、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于裝飾裝修、建筑、景觀以及園林裝飾等領(lǐng)域。WPC不僅具備木材的高強(qiáng)重比和環(huán)境友好性，還具備塑料的韌性和可加工性，且可回收重復(fù)利用，極大地緩解了廢棄木材和塑料帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題[2-4]。然而，當(dāng)WPC長(zhǎng)期在戶外服役時(shí)，會(huì)受到氧、水氣、光、熱、真菌等因素影響，產(chǎn)生老化，使其表面出現(xiàn)粉化、裂紋等現(xiàn)象，性能下降，使用壽命縮短。研究者通過(guò)各種技術(shù)手段對(duì)木塑復(fù)合材進(jìn)行改性處理，能夠提高材料的耐老化性，延長(zhǎng)WPC的使用壽命[5-7]。由此可見，對(duì)WPC產(chǎn)品在使用過(guò)程中的耐老化性開展研究與評(píng)價(jià)顯得尤為重要。其中，采用人工加速老化試驗(yàn)法的研究逐漸成為了研究熱點(diǎn)。

本文旨在從方法原理和影響因素的角度對(duì)木塑復(fù)合材料領(lǐng)域的人工加速老化方法進(jìn)行系統(tǒng)綜述，以期為提高木塑復(fù)合材料耐老化性能的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 WPC人工加速老化方法

當(dāng)前，人工加速老化法是用來(lái)評(píng)價(jià)材料耐老化性能最常用的方法，通過(guò)人工方式設(shè)定材料所需要的環(huán)境因素，盡可能模擬出和自然條件相類似的環(huán)境。主要方法包括濕熱老化、熱氧老化、光老化、人工氣候箱老化、鹽霧老化、凍融循環(huán)、臭氧老化、抗菌試驗(yàn)等。相較于自然大氣老化測(cè)試方法，人工加速老化法的優(yōu)勢(shì)在于能夠極大縮短試驗(yàn)周期，更快地獲得試驗(yàn)結(jié)果，滿足科研與生產(chǎn)的需求[8]。目前，在WPC研究領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的人工加速老化法包括濕熱老化、熱氧老化、光老化以及人工氣候箱老化。

1.1 濕熱老化法

在潮濕的環(huán)境中，植物纖維顆粒會(huì)發(fā)生潤(rùn)脹，水分很容易滲入到木塑復(fù)合材料的中心，引起裂紋，導(dǎo)致其性能發(fā)生變化。當(dāng)前，木塑復(fù)合材料被越來(lái)越多應(yīng)用于碼頭、橋梁、河邊棧道等，由于長(zhǎng)期浸泡在水中，加速了材料的老化。濕熱老化性能對(duì)于評(píng)價(jià)WPC是否能夠長(zhǎng)期適用在潮濕環(huán)境具有重要意義[9-10]。濕熱老化法是將所需測(cè)試的材料放置在潮濕環(huán)境的設(shè)備中，設(shè)定與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境相符的測(cè)試條件，并且確保溫度和濕度的穩(wěn)定性，在一定的試驗(yàn)周期中，根據(jù)材料性能的變化來(lái)評(píng)價(jià)其耐濕熱性能。研究表明：溫度的升高加速老化進(jìn)程，因而適當(dāng)提高溫度可在一定程度上縮短試驗(yàn)周期。

潘惠等[11]通過(guò)添加不同顏料制備了四種顏色的高密度聚乙烯基木塑復(fù)合材料，并對(duì)材料進(jìn)行45 ℃的濕熱老化測(cè)試，研究顏料對(duì)其濕熱老化性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，材料受熱膨脹，聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng)加劇，在水分的作用下，少量顏料從材料中析出，導(dǎo)致材料褪色，而添加巧克力色顏料的材料明度變化值最小，褪色程度最輕，表明添加顏料能有效提高木塑復(fù)合材料的顏色穩(wěn)定性。徐琪等[12]分別使用甲基丙烯酸甲酯、硅烷偶聯(lián)劑和馬來(lái)酸酐對(duì)木纖維進(jìn)行化學(xué)處理，而后制備木塑復(fù)合材料，并置于80 ℃的恒溫水浴中研究其耐濕熱特性。試驗(yàn)表明：硅烷偶聯(lián)劑能夠改善木纖維與聚丙烯基體之間的界面相容性，降低了木塑復(fù)合材料的吸水性，使其更適用于濕熱的環(huán)境。Wang等[13]采用木粉、聚丙烯和馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯制成具有不同木粉含量的木粉/聚丙烯復(fù)合材料，隨后將其分別放置在23、60 ℃和80 ℃的蒸餾水中進(jìn)行耐水性試驗(yàn)。結(jié)果表明：溫度可以增加復(fù)合材料的吸水率。此外，對(duì)比測(cè)試了復(fù)合材料和純聚丙烯的拉伸和彎曲強(qiáng)度。結(jié)果顯示：木粉能夠增強(qiáng)基體抗錯(cuò)位能力，且木粉中木質(zhì)素疏水性強(qiáng)，不易被水降解，能夠提高材料的剛度和耐濕熱性能。Lin等[14]采用不同目數(shù)的木粉、聚丙烯和馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯制成木粉/聚丙烯復(fù)合材料，隨后將其分別放置在溫度為23、60 ℃和100 ℃的蒸餾水中進(jìn)行耐水性試驗(yàn)。同樣發(fā)現(xiàn)，溫度可加速?gòu)?fù)合材料的吸水率。此外，結(jié)果顯示：經(jīng)偶聯(lián)劑A-1100和馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯處理后，木粉表面的疏水性提高，且目數(shù)較低的木粉越能有效分隔水從復(fù)合材料表面進(jìn)入其內(nèi)部區(qū)域，使復(fù)合材料的耐濕熱性能得到增強(qiáng)。

1.2 熱氧老化法

木塑復(fù)合材由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，受到溫度和氧氣的影響會(huì)發(fā)生緩慢的熱氧老化反應(yīng)。值得注意的是，高溫時(shí)高分子材料的熱氧老化現(xiàn)象更加明顯[15]。熱氧老化試驗(yàn)是將試樣置于具有高溫和氧的老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行。在試驗(yàn)過(guò)程中，老化程度受到試驗(yàn)溫度的選擇、風(fēng)速的大小和試樣放置的疏密情況等因素的影響。為了加快老化的速度，可在不造成嚴(yán)重變形、不改變老化反應(yīng)的前提下，盡可能提高試驗(yàn)溫度。另外，提高風(fēng)速可升高熱交換率，從而加快老化速率。為獲得準(zhǔn)確的老化結(jié)果，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速并保證風(fēng)速穩(wěn)定。

雷文等[16]將分別添加了抗氧劑和增容劑的木塑復(fù)合材料以及純木塑復(fù)合材料放置在70 ℃的試驗(yàn)箱中進(jìn)行熱氧老化試驗(yàn)，并于600 h后取出，在室溫下浸泡在水中。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到200 h后，添加抗氧劑的復(fù)合材料，其寬度變化率低于純WPC，說(shuō)明使用抗氧劑可有效改善熱氧老化對(duì)木塑復(fù)合材料吸水性能的影響，延長(zhǎng)材料使用壽命。陸紹榮等[17]以劍麻纖維和聚丙烯為原料制備木塑復(fù)合材料，并將其放入100 ℃的熱氧老化試驗(yàn)箱中，老化16 h后取出。結(jié)果表明：在試驗(yàn)初期，材料內(nèi)部的聚丙烯和劍麻纖維發(fā)生的交聯(lián)反應(yīng)使得材料的相容性得到提高，暫時(shí)抑制了材料性能減弱的速度。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，氧化降解反應(yīng)超過(guò)交聯(lián)反應(yīng)，使得聚丙烯發(fā)生無(wú)規(guī)則降解，因而材料力學(xué)性能下降。余旺旺等[18]以高密度聚乙烯和木粉為原料，以馬來(lái)酸酐接枝聚乙烯為界面增容劑，并添加不同量的抗氧化劑制備木塑復(fù)合材料，隨后將其放置在70 ℃的試驗(yàn)箱中進(jìn)行熱氧老化試驗(yàn)，于600 h后取出。結(jié)果表明，添加抗氧劑可較大幅度提高WPC的彎曲強(qiáng)度，老化600 h后，添加抗氧劑的WPC，其彎曲強(qiáng)度均高于未加抗氧劑的WPC，且含量為2.0%時(shí)效果最佳。因此，抗氧劑可有效改善木塑復(fù)合材料的耐老化性能。謝雪甜等[7]將黎蒴栲、碳酸鈣和鋁酸類偶聯(lián)劑共混，再加入熱穩(wěn)定劑和光穩(wěn)定劑制成黎蒴栲/聚氯乙烯復(fù)合材料，置于溫度交替變化的試驗(yàn)箱中進(jìn)行熱氧老化，33.5 d后取出并測(cè)量其力學(xué)性能的變化。結(jié)果顯示：熱氧老化后材料的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有明顯的下降，而添加受阻胺光穩(wěn)定劑和紫外吸收劑UV300后，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度降低減緩，說(shuō)明光穩(wěn)定劑能夠加強(qiáng)材料的耐老化性能。

1.3 光老化法

不論是在室內(nèi)還是戶外，WPC的性能因受到太陽(yáng)光的照射而發(fā)生變化。因此，光老化是木塑復(fù)合材最典型的老化形式之一。光老化測(cè)試試驗(yàn)是模擬材料長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光的照射下產(chǎn)生反應(yīng)的試驗(yàn)，并且光老化測(cè)試試驗(yàn)采用的光照強(qiáng)度遠(yuǎn)高于實(shí)際光照，因此可縮短試驗(yàn)周期，更快得到試驗(yàn)結(jié)果[19]。紫外光因其活性大、能量高，對(duì)材料的破壞最為嚴(yán)重，所以光老化試驗(yàn)的光源以紫外光及部分可見光為主[20]。

光老化試驗(yàn)的燈管主要包括熒光紫外燈、氙燈和碳弧燈等。熒光紫外燈老化主要模擬紫外光破壞材料性能，該試驗(yàn)將需測(cè)試材料放置于老化試驗(yàn)箱內(nèi)，設(shè)定一定的周期、溫度、濕度和照射強(qiáng)度，同時(shí)還可以通過(guò)冷凝和噴淋模式加速老化試驗(yàn)[21]。最后根據(jù)試驗(yàn)前后材料的變化情況，確定其耐光老化性的強(qiáng)弱。氙燈老化主要模擬紫外燈和部分可見光，可通過(guò)降雨、濕度和冷凝等多種水分環(huán)境共同作用的方式加速老化試驗(yàn)，還可通過(guò)不同的組合方式達(dá)到不同的模擬效果[22]，目前已成為主要的人工加速光老化試驗(yàn)方法。碳弧燈的模擬效果比熒光紫外燈和氬燈差，通常不推薦。

文霞等[23]將聚丙烯、杉木粉、馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯及三種光穩(wěn)定劑混合制備木塑復(fù)合材料，并將其放置在紫外燈老化設(shè)備中老化1 000 h。結(jié)果表明：純WPC顏色變化最明顯，添加苯并三唑類光穩(wěn)定劑的WPC顏色變化最小，說(shuō)明光穩(wěn)定劑能夠有效改善復(fù)合材料的耐老化性能。Stark等[24]在木粉/高密度聚乙烯復(fù)合材料中添加了光穩(wěn)定劑，并置于紫外線下暴曬2 000 h。結(jié)果顯示：未添加光穩(wěn)定劑的復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和彈性模量下降更為明顯。Muasher等[25]通過(guò)添加不同的受阻胺類光穩(wěn)定劑和紫外線吸收劑制備了木粉/高密度聚乙烯木塑復(fù)合材料，并對(duì)比其室外環(huán)境和人工紫外加速老化箱中的老化行為，總時(shí)長(zhǎng)為2 000 h。研究發(fā)現(xiàn)，與自然光相比，紫外光照射更容易使材料發(fā)生光漂白，導(dǎo)致樣品的顏色變淺，但同時(shí)添加受阻胺類光穩(wěn)定劑和苯并三唑紫外線吸收劑能夠有效減少?gòu)?fù)合材料的褪色，加強(qiáng)了WPC的耐光老化性能。

1.4 人工氣候箱法

氣候的影響使木塑復(fù)合材在各個(gè)階段都可能發(fā)生性能變化，例如變色、性能下降、開裂、剝落、粉化、氧化等。主要原因是陽(yáng)光（特別是紫外光）、高溫以及雨水、露水等形成的濕氣，當(dāng)WPC處于光照和濕氣共同作用時(shí)，其本身單一的耐光性和抗?jié)裥阅芗眲∠陆?。人工氣候箱老化法就是用人工的方法模擬和強(qiáng)化材料在自然氣候中受到的光、氧、熱、降雨、濕氣等為主要破壞的環(huán)境因素，在實(shí)驗(yàn)室條件下通過(guò)較短的時(shí)間評(píng)價(jià)復(fù)合材料的耐老化性能[26-27]。與光老化法不同，人工氣候箱法除了能夠模擬光、氧、熱等因素，還能夠進(jìn)行溫濕度的調(diào)節(jié)，使木塑復(fù)合材料的測(cè)試更貼近自然環(huán)境。

倪欣宇等[28]將聚氯乙烯、木粉、碳酸鈣和鋼材混合制成木塑/鋼材復(fù)合材料，將其放置在（60±3）℃的紫外燈下輻照暴露8 h后，在（50±3）℃下無(wú)輻射的冷凝條件中暴露4 h，循環(huán)往復(fù)，總時(shí)間為250 h。對(duì)比添加鋼材和未添加鋼材復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度的變化。結(jié)果表明：添加鋼材的復(fù)合材料，其抗彎性能比普通木塑復(fù)合材料有顯著提高，且延展性提高了約3倍，表明鋼材優(yōu)良的力學(xué)性能有助于提高WPC的耐老化性能。

1.5 其他老化方法

目前，抗菌老化法與鹽霧老化法等已被廣泛應(yīng)用在高分子復(fù)合材料領(lǐng)域，借此評(píng)價(jià)復(fù)合材料在特殊環(huán)境下的耐久性。然而上述老化方法在木塑復(fù)合材料領(lǐng)域未見報(bào)道。

1.5.1 抗菌老化法

塑料因其質(zhì)輕、機(jī)械性能優(yōu)異、便于加工等優(yōu)點(diǎn)在包裝市場(chǎng)上得到廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般會(huì)在塑料中加入抗氧化劑、增塑劑、紫外光吸收劑等添加劑以提高塑料的性能，使其免于在光照、氧氣和微生物等作用下發(fā)生老化、霉變等現(xiàn)象[29]。但添加劑的加入使微生物具有了更適宜繁殖的環(huán)境，導(dǎo)致塑料包裝成為了細(xì)菌污染源和疾病傳播源，從而危害人類健康。因此，對(duì)于包裝材料的抗菌試驗(yàn)的研究顯得尤為重要。

宋洪澤等[30]采用納米銀、納米氧化鋅、抗氧化劑168和低密度聚乙烯制備塑料片材，通過(guò)貼膜法對(duì)片材進(jìn)行抗菌試驗(yàn)。研究表明：雖然納米銀、納米氧化鋅抑菌持久性較好，但二者對(duì)塑料片材的抗菌性均無(wú)顯著影響；而抗氧化劑168雖然沒有抗菌性，但其處理片材的抗菌率可達(dá)90.41%，認(rèn)為是其降解產(chǎn)物具有抗菌性。

1.5.2 鹽霧老化法

鹽霧環(huán)境中氯化物的含量較高，對(duì)復(fù)合材料的腐蝕速度明顯增加，是天然環(huán)境中的幾倍或幾十倍[31]。因此，人工模擬鹽霧環(huán)境測(cè)試能夠在較短的時(shí)間里確定復(fù)合材料耐老化性能。

徐志偉等[32]將碳纖維、玻璃纖維和環(huán)氧樹脂混合制成環(huán)氧樹脂/混合纖維復(fù)合材料，置于溫度為（35±2） ℃，腐蝕介質(zhì)為5%的NaCl溶液中進(jìn)行600 h的鹽霧試驗(yàn)。結(jié)果顯示：鹽霧的滲入腐蝕了樹脂，破壞了纖維和樹脂的界面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合材料質(zhì)量和拉伸強(qiáng)度下降，復(fù)合材料出現(xiàn)微觀缺陷；但在360 h后材料變化趨勢(shì)明顯變緩，且在600 h時(shí)性能維持不變，說(shuō)明該復(fù)合材料適用于鹽霧環(huán)境。

2 人工加速老化方法的現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

2.1 現(xiàn)狀

通過(guò)對(duì)WPC在濕熱老化法、熱氧老化法、光老化法以及人工氣候箱法等領(lǐng)域的研究概述，總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀如下：

1） 濕熱老化是目前WPC耐老化性能領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方法之一，材料長(zhǎng)期暴露在潮濕的環(huán)境中會(huì)加快老化速度，尤其是有些材料在地下工程或者埋在土中、高濕熱廠房、通風(fēng)不良的倉(cāng)庫(kù)等環(huán)境下。濕熱老化的優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)測(cè)試，針對(duì)需要長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境的材料提前采取相應(yīng)措施。

2） 熱氧老化的主要影響因素是溫度和氧氣，溫度的升高可以加快材料的氧化反應(yīng)。針對(duì)長(zhǎng)期暴露在溫度較高環(huán)境中的材料，可添加抗氧化劑抑制氧化反應(yīng)來(lái)減緩材料老化速度，或是添加相關(guān)材料使復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高材料的相容性，抑制材料性能衰減速度。

3） 光老化主要以熒光紫外燈、氙燈和碳弧燈老化等方法為主，其中紫外光的破壞最為嚴(yán)重。添加合適的光穩(wěn)定劑能夠有效抑制或減弱光降解反應(yīng)，提高材料的耐老化性。

4） 人工氣候箱法不僅能夠設(shè)定光和溫度等因素對(duì)材料的影響，還能調(diào)節(jié)材料所需的濕度環(huán)境，使測(cè)試環(huán)境更貼近現(xiàn)實(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具真實(shí)性。由于人工氣候箱法的測(cè)試條件比較復(fù)雜且儀器價(jià)格較高，目前該方法的應(yīng)用研究較少。

2.2 存在問(wèn)題

綜上可知，人工加速老化方法已被廣泛應(yīng)用到木塑復(fù)合材料領(lǐng)域，并取得了一定成果，但仍存在以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

1） 熱氧老化和光老化測(cè)試方法通常是分析WPC在單一因素（如溫度、光波頻率等）下的老化效果，雖然上述兩種方法的老化降解機(jī)制已被學(xué)者闡述清楚，但與復(fù)雜自然條件下的老化降解機(jī)制相比，仍存在較大差距。

2） 濕熱老化和人工氣候箱老化法可同時(shí)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上影響因素（溫度、濕度、水分、光照類型及光波頻率等）對(duì)WPC進(jìn)行老化處理，能在一定程度上解釋W(xué)PC在復(fù)雜環(huán)境下的老化降解機(jī)制，但是缺少與自然老化法的相互印證與聯(lián)系。

3） 著眼于木塑復(fù)合材料今后更為廣闊的應(yīng)用前景，目前抗菌老化、鹽霧老化等特殊環(huán)境條件下的老化研究值得關(guān)注。

3 結(jié)語(yǔ)

就科研需求和材料實(shí)際應(yīng)用價(jià)值方面而言，人工加速老化法能夠快速獲得木塑復(fù)合材料老化性能的結(jié)果。建議今后的研究中圍繞以下幾個(gè)方面展開：

1）加強(qiáng)人工加速老化方法與自然老化法之間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，構(gòu)建相關(guān)聯(lián)系機(jī)制，有利于進(jìn)一步對(duì)WPC的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2）通過(guò)計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)方法建立加速老化模型，不斷豐富數(shù)據(jù)，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行修正改進(jìn)，利用智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)WPC性能與使用壽命的預(yù)測(cè)。

3）加強(qiáng)抗菌測(cè)試、鹽霧測(cè)試等人工加速老化測(cè)試方法在WPC研究領(lǐng)域的拓展應(yīng)用，為WPC在今后更廣闊的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。