表面處理對木粉pvc復合材料性能的影響

表面處理對木粉pvc復合材料性能的影響

木塑料是近年來開發(fā)迅速的一種新型環(huán)保材料。它具有木材的天然紋理、塑料的耐腐蝕性、易加工、可回收性等優(yōu)點。廣泛應用于建筑、交通、家具等領域。木/塑復合材料多以木粉、廢舊塑料為主要原料。由于木粉表面含有大量極性羥基和酚羥基,表現(xiàn)出強烈的親水性,而塑料為疏水性物質,導致兩者的界面結合力小,相容性差。此外,木粉中的極性基團還因極易形成氫鍵而聚集成團,造成木粉在熔融塑料中的分散性較差,影響復合材料的加工性能及力學性能。因此,改善木粉與塑料之間的界面相容性和木粉在塑料中的分散性,是制備高性能木/塑復合材料的技術關鍵。目前,改善木粉和塑料界面相容性的主要方法是對木粉進行物理或化學改性。其中,偶聯(lián)劑化學改性法因工藝簡單、改性效果好,而被廣泛使用。鋁酸酯和鈦酸酯是聚烯烴熱塑性塑料中常用的偶聯(lián)劑,在PVC/木粉復合材料中有較多的應用研究,但對于高木粉填充量的木/塑復合材料,其偶聯(lián)效果尚待提高。新型鋁鈦復合偶聯(lián)劑具有雙金屬中心原子結構,集中了鋁酸酯和鈦酸酯的優(yōu)點,對高填充無機填料/聚烯烴塑料體系的增容效果非常明顯,但對木粉的改性研究鮮見報道。筆者在前期研究工作的基礎上,采用鋁鈦復合偶聯(lián)劑對木粉進行表面處理,對比鈦酸酯和鋁酸酯偶聯(lián)劑,分析其對木粉/PVC復合體系的物理力學性能、流變性能及微觀結構的影響,以期為制造高性能、高填充的木/塑制品提供依據(jù)。1試驗材料和方法1.1創(chuàng)建江西粉基地PVC,SG-7型,天津渤?；び邢挢熑喂井a(chǎn);木粉,速生馬尾松(Pinusmassoniana),100目,江西南康方舟纖粉廠產(chǎn);改性劑(Acryloid,ACR),廣州金昌盛科技有限公司產(chǎn);偶聯(lián)劑3種:鈦酸酯偶聯(lián)劑NGT-311W(黃色黏稠液體)、鋁酸酯偶聯(lián)劑DL-2411(白色蠟狀固體)、鋁鈦復合偶聯(lián)劑OL-AT1618(淺黃色蠟狀固體),均外購;復合穩(wěn)定劑,三鹽基硫酸鉛;其他為塑料工業(yè)常用的原料。1.2熱性能測試方法CMT4204電子萬能試驗機,XCJ-4沖擊試驗機,ZHYW型萬能制樣機,SK-160B開放式煉塑機,QLB-400×400平板硫化機,GRH-10型高速加熱混合機,熱變形&維卡軟化點溫度測定儀,XL-30FEG掃描電子顯微鏡(SEM),HaakeRheomix扭矩流變儀,101-4-BS電熱恒溫鼓風干燥箱。1.3聚合物acrPVC,100g;木粉,100g;ACR,4.0g;硬脂酸,1.0g;聚乙烯蠟,1.0g;三鹽基硫酸鉛,4.0g;偶聯(lián)劑,0~2.5g。1.4樣品制備1木粉的制備首先將木粉在120℃下真空干燥3h,偶聯(lián)劑用質量分數(shù)為95%的乙醇溶液以質量比1︰5稀釋,然后將干燥木粉加入偶聯(lián)劑中攪拌約4min,再取出于120℃烘干1h,干燥至含水率≤1.5%,得改性木粉。2其他助劑的混合PVC復合材料的制備將改性木粉、PVC和其他助劑倒入高速混合機,連續(xù)混合8min?；旌衔镌?75℃的雙輥開煉機上混煉,在180℃的平板硫化機上壓制成4mm的片材。1.5沖擊強度及吸水率按GB/T1040-2006《塑料拉伸性能試驗方法》檢測拉伸強度;按GB/T1842-1999《塑料簡支梁沖擊試驗方法》檢測沖擊強度;按GB/T9341-2000《塑料彎曲性能試驗方法》檢測彎曲性能;按GB/T1034-1998《塑料吸水性試驗方法》檢測吸水率;在HaakeRheomix扭矩流變儀上測試加工流變性能,測試溫度170℃、轉子轉速30r/min;并用掃描電子顯微鏡(SEM)分析試樣斷面結構。2試驗結果與討論2.1鈦復合型偶聯(lián)劑整理前后材料的吸水率從圖1看出,偶聯(lián)劑有助于提高木粉/PVC復合材料的耐水性能,特別是經(jīng)鋁鈦復合型偶聯(lián)劑改性后,材料的吸水率降幅最大。這可能是由于偶聯(lián)劑與木粉表面-OH基團發(fā)生化學反應后,減少了-OH基團數(shù)目,同時親有機端長鏈又起到阻止木粉吸水的作用,從而使復合材料的吸水率降低,增強了材料的尺寸穩(wěn)定性。2.2偶聯(lián)劑協(xié)同處理有利于提高復合材料力學性能從圖2可以看出,加入偶聯(lián)劑后,木粉/PVC復合材料的拉伸強度、沖擊強度、彎曲性能均有不同程度的提高,但隨施加偶聯(lián)劑種類和用量不同,其影響程度各異。從圖2a、b看出,改性木粉/PVC復合材料的拉伸強度和沖擊強度均明顯高于未改性材料的強度,且隨著偶聯(lián)劑用量的增加,2種強度指標均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。這一現(xiàn)象說明,偶聯(lián)劑的施加存在最佳量:偶聯(lián)劑用量太少,對填料表面包覆不完全,影響增容效果;反之,木粉表面覆蓋過多的偶聯(lián)劑分子,形成多分子層,造成木粉與樹脂界面結構不均勻,反而削弱兩者相容性,降低復合材料的力學性能。偶聯(lián)劑種類方面,鋁鈦復合型偶聯(lián)劑比鋁酸酯和鈦酸酯等傳統(tǒng)偶聯(lián)劑,顯示出更加優(yōu)異的偶聯(lián)效果。一方面,其分子結構中含有親無機端和親有機端的雙官能團,當處理木粉時,親無機端與木粉表面羥基反應,形成化學鍵合,并減少木粉羥基數(shù)目,阻礙木粉粒子間凝聚,促進木粉在PVC中均勻分散;親有機基團則與PVC形成接枝長烷基鏈結構,覆蓋于木粉表面,強化了PVC與木粉間的相容性,同時長鏈纏繞可轉移應力應變,提高了復合材料抵御外力破壞的能力。另一方面,其雙金屬中心原子之間存在一定的親和作用,在木粉表面形成的單分子吸附層,較單金屬中心原子偶聯(lián)劑更加密集,顯示出良好的協(xié)同偶聯(lián)效果,使改性木粉與PVC之間產(chǎn)生更強的界面鍵合,從而復合材料的力學性能顯著提高。當鋁鈦復合型偶聯(lián)劑與木粉的質量比為1∶100時,改性復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別達到44.4MPa和14.8kJ/m2,比未改性的提高了339.6%和59.1%。由圖2c、d可見,用偶聯(lián)劑處理后,改性木粉/PVC復合材料的彎曲強度的變化規(guī)律類似于拉伸強度,均比未改性的有所提高;其中,用鋁鈦復合偶聯(lián)劑改性的復合材料,其彎曲強度增幅最大。當鋁鈦復合偶聯(lián)劑與木粉的質量比為1∶100時,復合材料的彎曲強度為63.9MPa,比未改性的提高179.5%。這是因為偶聯(lián)劑的加入,提高了木粉與PVC間的界面結合強度,當材料受載時,載荷通過界面?zhèn)鬟f給起增強作用的木纖維,使體系的彎曲強度增強。改性前后,復合材料體系的彎曲模量變化不大。在本試驗范圍內(nèi),偶聯(lián)劑種類和用量對復合材料的彎曲模量無顯著影響,這可能與彎曲模量主要與基體和纖維本身性能,以及纖維體積分數(shù)、長度和取向分布有關。2.3偶聯(lián)劑與木粉的質量比對復合材料平衡時間的影響鋁鈦復合偶聯(lián)劑對復合材料流變性能的影響結果如表1所示?？梢钥闯?隨著偶聯(lián)劑用量增加,復合材料的最大轉矩和平衡轉矩減小,平衡時間縮短。當偶聯(lián)劑與木粉的質量比為1∶100時,復合材料的最大轉矩、平衡轉矩和平衡時間分別下降了17.1%、12.6%和56s。這可能歸因于:加入偶聯(lián)劑使木粉表面羥基減少,阻礙了木粉粒子間凝聚,降低了體系的黏度;另外,長鏈烷烴基在一定程度上改變了木粉表面能,提高了PVC對木粉的潤濕性,促進木粉在PVC中的均勻分散,從而改善了復合材料的加工流動性。2.4未改性木粉與pvc對于不同組分克氏原螯蝦的影響復合體系的力學性能和流變性能,與木質材料在PVC基體中的分散狀態(tài)密切相關。為此,本研究利用掃描電鏡,觀察了不同偶聯(lián)劑改性木粉/PVC復合材料的沖擊斷面。從圖3a可以看出,未改性木粉與PVC基體間存在清晰的相界面,木纖維被拔出后留下的空穴表面光滑,且木粉呈不規(guī)則團聚,說明未改性木粉與PVC基體相容性差。圖3b顯示鈦酸酯偶聯(lián)劑的影響,可見空穴仍較光滑,但與圖3a相比,木粉分散較為均勻,長纖維更有效地起到應力分擔作用,有利于提高力學強度。由圖3c可見,經(jīng)鋁酸酯偶聯(lián)劑處理后,木粉分散更加均勻,但仍有小部分木粉團聚現(xiàn)象。圖3d表明經(jīng)過鋁鈦復合偶聯(lián)劑處理后,木粉與PVC基體間的縫隙較小,相界面變得模糊,木粉表面有PVC樹脂黏附現(xiàn)象。3加工性能得到改善1)在本試驗范圍內(nèi),經(jīng)鈦酸酯、鋁酸酯和鋁鈦復合偶聯(lián)劑對木粉進行表面處理后,木粉/PVC復合材料的物理力