木塑復(fù)合材料偶聯(lián)劑的界面相容性研究

木塑復(fù)合材料偶聯(lián)劑的界面相容性研究

資源危機和生態(tài)問題導(dǎo)致了世界對可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的研究的增加。許多新材料符合環(huán)保要求，其中木塑料是一種潛力巨大的新材料。目前世界擠出成型木塑復(fù)合材料的年增長率為25%,其中北美市場的作用和貢獻最大,其次是德國、日本等。在北美,聚乙烯是木塑復(fù)合材料的主要塑料原料,但在未來8年內(nèi),預(yù)計PVC和聚丙烯獲得更大的市場份額。我國起步較晚,但發(fā)展十分迅猛,目前國內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)PP/木粉和PE/木粉復(fù)合材料技術(shù)已趨成熟,生產(chǎn)PVC/木粉復(fù)合材料技術(shù)尚處于起步階段。由于木材與塑料在性質(zhì)上差異較大,在木塑復(fù)合材料擠出生產(chǎn)中主要存在木粉與塑料的相容性差,木粉在熔融的熱塑性塑料中分散性和流動性差,木塑復(fù)合材料擠出成型的螺桿及模具設(shè)計技術(shù)尚未成熟等問題。木粉與塑料相容性的優(yōu)劣直接影響木塑復(fù)合材料性能,在木塑復(fù)合材料中加入偶聯(lián)劑可以改善兩種材料界面相容性。鈦酸酯和鋁酸酯可作為塑料加工用偶聯(lián)劑,且鋁酸酯是我國獨創(chuàng)的產(chǎn)品,但兩者在木塑復(fù)合材料中的使用情況未見詳細報道。因此,本研究采用擠出成型的方法,研究兩種偶聯(lián)劑在木粉/PVC復(fù)合材料中的影響,旨在探討鈦酸酯和鋁酸酯在木粉/PVC復(fù)合材料中的作用機制和最佳使用方法,為改善木塑復(fù)合材料界面相容性提供新的途徑。1材料和方法1.1鋁酸酯的配制PVC樹脂為SG-5型。木粉為黎蒴栲(Castanopsisfissa(Champ)Rehd.etWils.)枝椏材經(jīng)刨切、打磨而成的45～60目木粉,干燥至含水率3%左右。采用液態(tài)鈦酸酯,型號為NDZ-101;固態(tài)鋁酸酯,型號為DL-411-A,使用時加入液體石蠟稀釋成粘稠狀。配方中鋁酸酯的用量以未稀釋的純量計(加工過程中液體石蠟會揮發(fā))。并施加一定比例的增塑劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧劑、潤滑劑等。1.2試樣的制備試驗所用的主要設(shè)備有:BX-484單鼓輪長材刨片機、ZH-10捏合機、LSE-35錐形雙螺桿擠出機、FEI-XL30環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)、ThermoNicolet產(chǎn)的傅立葉紅外光譜儀和AG-I-50kN精密力學(xué)試驗機。試驗中混合物料時,先用粉狀碳酸鈣包覆木粉,然后再加入鈦酸酯或鋁酸酯并攪拌均勻,同時在PVC樹脂中加入增塑劑、熱穩(wěn)定劑、抗氧劑并混合均勻,然后將木粉與樹脂混合起來,再加入潤滑劑,經(jīng)捏合處理制成PVC/木粉混合物。如此,避免了鈦酸酯或鋁酸酯與增塑劑直接接觸而發(fā)生酯交換反應(yīng),保證了偶聯(lián)劑的使用效果。未加偶聯(lián)劑的對比試驗中除去不加偶聯(lián)劑之外,其余所有配方都一樣,且加入先后順序也一致。將混合物料在擠出機中擠出成型木塑復(fù)合材料。冷卻后,鋸解材料制備測試力學(xué)性能的試樣,將其磨碎后采用KBr壓片法制備紅外光譜試樣,用小刀片切割少量材料經(jīng)噴金處理后得到掃描電鏡試樣。采用單因子試驗法考察鈦酸酯、鋁酸酯對木塑復(fù)合材料界面相容性的影響。考察的力學(xué)性能主要有拉伸強度、拉伸斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲彈性模量和壓縮強度。2結(jié)果與討論2.1偶聯(lián)劑的用量不同偶聯(lián)劑用量對木塑復(fù)合材料力學(xué)性能的影響見表1。從表1可以看出:(1)鈦酸酯的加入使木塑復(fù)合材料的各項力學(xué)性能得到明顯提高,隨著其用量的增加,拉伸強度、拉伸斷裂伸長率、彎曲強度、彎曲彈性模量和壓縮強度都是先增大,后減小,當用量為1.5份時,除拉伸斷裂伸長率之外各項性能出現(xiàn)最大值。這是因為鈦酸酯的長鏈烴基可與聚合物鏈發(fā)生纏繞,借分子間的范德華力結(jié)合在一起,這種偶聯(lián)作用對于聚烯烴類的熱塑性塑料特別適用,本研究所用的PVC即屬于此類。長鏈的纏繞可轉(zhuǎn)移應(yīng)力應(yīng)變,提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。此外,長鏈的纏繞還可以改變木粉與塑料界面處的表面能,使粘度下降,流動性變好,在ESEM觀察中也可以觀察到此效果。然而,偶聯(lián)劑的用量并不是越多越好,太多的偶聯(lián)劑不是在木粉和塑料間形成良好的單分子膜,而是形成應(yīng)力層,反而使復(fù)合材料的性能有所降低。(2)鋁酸酯的加入使木塑復(fù)合材料的大部分力學(xué)性能增強,隨著其用量的增加,拉伸強度、拉伸斷裂伸長率、彎曲強度和彎曲彈性模量呈先增大后減小的趨勢,除拉伸斷裂伸長率之外,當用量為1.5份時,彎曲強度和彎曲彈性模量出現(xiàn)最大值。這是因為鋁酸酯除有一定的偶聯(lián)作用之外,還能夠顯著降低體系的粘度,提高分散性,而且可與三鹽基硫酸鉛、二鹽基亞磷酸鉛并用,起協(xié)同穩(wěn)定作用,從下文FTIR分析中也可以看出此效果。(3)鈦酸酯用量引起的性能變化比鋁酸酯的要大,使用鈦酸酯的木塑復(fù)合材料其綜合力學(xué)性能比使用鋁酸酯的要好。研究中使用的鋁酸酯是固態(tài)的,在使用時用液體石蠟稀釋,而鈦酸酯是直接使用液態(tài)的。稀釋鋁酸酯的濃度和方法將影響其使用效果,這是鋁酸酯比鈦酸酯偶聯(lián)效果差的原因之一。鋁酸酯是國內(nèi)開發(fā)的優(yōu)良偶聯(lián)劑,降低體系粘度的作用特別顯著,而且價格便宜,雖然對復(fù)合材料性能的提高比鈦酸酯遜色一點,但在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中具有明顯的優(yōu)勢。2.2木塑復(fù)合材料的ftir分析圖1是未加任何偶聯(lián)劑的木塑復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖,圖2是加入鈦酸酯的木塑復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。從圖1和圖2的對比可以看出,在未加偶聯(lián)劑的木塑復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)中有很多孔隙,從放大200倍和400倍的圖中都能看出明顯的凹凸不平和空隙;而加入鈦酸酯作偶聯(lián)劑后,木塑復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,觀察面密實而平整,木粉與塑料融為一體,形成均勻的結(jié)構(gòu)。究其原因,一方面是鈦酸酯作為偶聯(lián)劑,其長鏈烴基可與PVC鏈發(fā)生纏繞,又可與木粉良好結(jié)合,使木粉和塑料的相容性得到改善,復(fù)合體系融合成一體;另一方面,液態(tài)鈦酸酯處理碳酸鈣包覆的木粉,可以改善木粉在塑料中的分散性,熔融的塑料對木粉的浸潤性提高,有利于塑料覆蓋木粉,從而增強了木粉與塑料界面間的相容性和粘結(jié)性。未加任何偶聯(lián)劑的木塑復(fù)合材料、加入鈦酸酯的木塑復(fù)合材料和加入鋁酸酯的木塑復(fù)合材料的FTIR譜圖分別見圖3、4和圖5。PVC中C-Cl鍵的振動頻率可以表征復(fù)合材料的穩(wěn)定性。C-Cl鍵伸縮振動吸收帶振動頻率越小,表明鍵的力常數(shù)越小,即鍵的強度越弱,這意味著C-Cl鍵中的Cl-受周圍原子的吸引力較大,則PVC越穩(wěn)定。C-Cl鍵伸縮振動頻率為600～700cm-1。從圖3、圖4、圖5可以看出加入鈦酸酯、鋁酸酯的木塑復(fù)合材料其C-Cl鍵伸縮振動頻率分別為607.86cm-1,607.44cm-1,比未加入的C-Cl鍵振動頻率616.09cm-1小,因此,可以判斷偶聯(lián)劑在一定程度上提高了木塑復(fù)合材料的穩(wěn)定性。3偶聯(lián)劑用量對復(fù)合力學(xué)性能的影響(1)加入偶聯(lián)劑鈦酸酯及鋁酸酯均能提高木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能。加入鈦酸酯使木塑復(fù)合材料主要力學(xué)性能明顯增強,加入鋁酸酯則稍有改善。(2)隨著鈦酸酯、鋁酸酯用量的增加,木塑復(fù)合材料的力學(xué)性能呈先增大后減小趨勢。這表明偶聯(lián)劑使用過量,不利于偶聯(lián)劑在木粉表面形